(57)【要約】  量子鍵配送（ｑｕａｎｔｕｍ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ、ＱＫＤ）で使用するための方法および装置が説明される。量子ＱＫＤ信号がソース（１０１）で生成され、光ファイバネットワークを通りエンドポイント（１０５）に送信され、鍵が古典的ＱＫＤチャネル上での通信で合意される。古典的ＱＫＤチャネルは、鍵が配送されソースとエンドポイントの間の中間のノード（１０４）で処理されることができるネットワークに関連する追加情報を含む。
2013506373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバネットワーキング構成要素であって、
入力信号を入力光ファイバから受信するための少なくとも１つの入力と、
出力信号を出力光ファイバに提供するための少なくとも１つの出力と、
入力信号を入力量子信号および入力古典的信号に分割するための第１のアドドロップマルチプレクサ（ａｄｄ  ｄｒｏｐ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）と、出力量子信号を出力古典的信号と結合して出力信号にするための第２のアドドロップマルチプレクサとを含み、
入力量子信号を出力量子信号に処理するための第１の処理経路、および入力古典的信号を出力古典的信号に処理するための第２の処理経路を有し、第２の処理経路が入力古典的信号を処理し出力古典的信号を作り出すための処理論理を含む光ファイバネットワーキング構成要素。
【請求項２】
光スイッチのマトリクスをさらに含み、複数の出力を含み、光スイッチのマトリクスが第２の処理経路に接続され、それにより、光スイッチのマトリクスが入力古典的信号に応答して第２の処理経路により制御されることができる、請求項１に記載の光ファイバネットワーキング構成要素。
【請求項３】
量子信号および古典的信号が別個の波長で運ばれ、アドドロップマルチプレクサが、古典的信号を反射し量子信号を通すように適合される１つまたは複数のフィルタを含む、請求項１または２に記載の光ファイバネットワーキング構成要素。
【請求項４】
第２の処理経路が、第１のトランスポンダでの第１の電気信号への入力古典的信号の変換、第１の電気信号の処理および構成要素論理ユニットによる第２の電気信号の生成、ならびに第２のトランスポンダでの出力古典的信号への第２の電気信号の変換を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の光ファイバネットワーキング構成要素。
【請求項５】
古典的信号に対して双方向であり、それにより、第２の入力古典的信号を少なくとも１つの出力の１つで受信し、第２の入力古典的信号を第２のトランスポンダで第３の電気信号に変換し、光ファイバネットワーキング構成要素論理ユニットで第３の電気信号を処理して第４の電気信号を生成し、第４の電気信号を第１のトランスポンダで第２の出力古典的信号に変換し、第２の出力古典的信号を少なくとも１つの入力の１つで送信するように適合される、請求項４に記載の光ファイバネットワーキング構成要素。
【請求項６】
第１の処理経路が少なくとも１つの出力の１つでの入力量子信号の直接送信を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の光ファイバネットワーキング構成要素。
【請求項７】
第１の処理経路が量子受信機および量子送信機を含み、第１の処理経路および第２の処理経路が鍵合意論理を一緒に提供し、それにより、光ファイバネットワーキング構成要素が量子鍵配送により第１の鍵を入力量子信号のソースと合意し、量子鍵配送により第２の鍵を出力量子信号の宛先と合意するように適合される、請求項１から５のいずれか１項に記載の光ファイバネットワーキング構成要素。
【請求項８】
第２の鍵が入力量子信号のソースにより部分的にまたは完全に決定される、請求項７に記載の光ファイバネットワーキング構成要素。
【請求項９】
第１のアドドロップマルチプレクサが入力信号を入力データ信号だけでなく入力量子信号および入力古典的信号に分割するように適合され、第２のアドドロップマルチプレクサが出力データ信号だけでなく出力量子信号および出力古典的信号を結合するように適合される、請求項１から８のいずれか１項に記載の光ファイバネットワーキング構成要素。
【請求項１０】
データ信号、量子信号、および古典的信号がどれも波長分割多重化により別個の波長で運ばれる、請求項２に従属し、請求項９に記載の光ファイバネットワーキング構成要素。
【請求項１１】
量子鍵配送により鍵生成ノードから宛先ノードに鍵を配送する方法であって、鍵生成ノードで、
量子鍵配送プロトコルに従って第１の波長で量子信号を生成するステップと、
量子鍵配送プロトコルに従って古典的信号、ならびに量子信号および古典的信号を宛先ノードにルーティングするためのネットワークに対するメッセージング情報を含む古典的信号を第２の波長または波長の組で生成するステップと、
量子信号および古典的信号を宛先ノードに伝送するために光ファイバ上で結合するステップと、
鍵を確立するために入力古典的信号を宛先ノードから受信するステップと
を含む鍵を配送する方法。
【請求項１２】
データ信号を量子信号および古典的信号と結合するステップをさらに含み、データ信号が第３の波長または波長の組で提供される、請求項１１に記載の鍵を配送する方法。
【請求項１３】
量子鍵配送により鍵生成ノードから宛先ノードに鍵を配送する方法であって、宛先ノードで、
入力信号を受信するステップと、
入力信号を第１の波長で量子信号に、第２の波長または波長の組で古典的信号に分離するステップと、
ビットストリームを提供するために量子信号を任意の基底（ｂａｓｉｓ）で測定するステップと、
量子鍵配送プロトコルに従ってビットストリームから鍵を確立するために戻り古典的信号を生成するステップとを含み、戻り古典的信号が、戻り古典的信号を鍵生成ノードにルーティングするためのネットワークに対するメッセージング情報を含む鍵を配送する方法。
【請求項１４】
入力信号を分離するステップが、第３の波長または波長の組で量子信号および古典的信号からデータ信号を分離して取り出すステップをさらに含む、請求項１３に記載の鍵を配送する方法。
【請求項１５】
量子鍵配送により鍵生成ノードから宛先ノードに鍵を配送する方法であって、鍵生成ノードと宛先ノードの間の中間ノードで、
入力信号を鍵生成ノードから受信するステップと、
入力信号を第１の波長で量子信号に、第２の波長または波長の組で古典的信号に分離するステップと、
鍵生成ノードと宛先ノードを接続するネットワークに関係のある第１のメッセージング情報を得るために古典的信号を処理し、第１のメッセージング情報を処理し、第２のメッセージング情報を含む修正された古典的信号を生成するステップと、
宛先ノードへの伝送のために量子信号と修正された古典的信号を結合するステップと
を含む鍵を配送する方法。
【請求項１６】
第１のメッセージング情報を処理するステップが、量子信号および修正された古典的信号を宛先ノードにルーティングするために中間ノードを構成するステップを含む、請求項１５に記載の鍵を配送する方法。
【請求項１７】
戻り古典的信号を宛先ノードから受信するステップと、第３のメッセージング情報を得るために戻り古典的信号を処理するステップと、第３のメッセージング情報を処理するステップと、第４のメッセージング情報を含む修正された戻り古典的信号を生成するステップとをさらに含む、請求項１５または１６に記載の鍵を配送する方法。
【請求項１８】
第３のメッセージング情報を処理するステップが、修正された戻り古典的信号を鍵生成ノードにルーティングするために中間ノードを構成するステップを含む、請求項１７に記載の鍵を配送する方法。
【請求項１９】
入力信号を分離するステップが、第３の波長または波長の組で量子信号および古典的信号からデータ信号を分離して取り出すステップをさらに含み、出力信号を提供するために信号を結合するステップがデータ信号の形で結合するステップを含む、請求項１７または１８に記載の鍵を配送する方法。
【請求項２０】
中間ノードが量子信号および古典的信号と無関係にデータ信号をルーティングするように適合される、請求項１９に記載の鍵を配送する方法。
【請求項２１】
入力信号中のデータ信号、および出力信号中のデータ信号が異なるデータ信号でもよい、請求項２０に記載の鍵を配送する方法。
【請求項２２】
１組の光スイッチ、光スイッチコントローラ、および１つまたは複数の量子鍵配送モジュールを含む光ファイバ構成要素であって、各量子鍵配送モジュールが、１組の光スイッチにそれぞれ接続される第１のポートおよび第２のポートを提供され、光スイッチコントローラへの電気接続をさらに提供され、光スイッチコントローラが、電気接続を用いて１つまたは複数のモジュールから受信される信号に応答して量子鍵配送信号をルーティングするために１組の光スイッチを制御するように適合される光ファイバ構成要素。
【請求項２３】
量子鍵配送モジュールのそれぞれが、
第１のポートで受信される信号が量子信号および古典的信号に分離され、古典的信号がルーティング情報を光スイッチコントローラに提供するために処理され、修正された古典的信号が生成され、量子信号および修正された古典的信号が第２のポートを通して伝送するために結合される量子信号伝送モジュール、
第１のポートで受信される信号が量子信号および古典的信号に分離され、量子信号および古典的信号が受信された信号のソースと第１の鍵を合意するために処理され、新しい量子信号が宛先ノードに伝送するために生成され、古典的信号がルーティング情報を光スイッチコントローラに提供するために処理され、新しい量子信号に関連する修正された古典的信号が生成され、別の量子信号および修正された古典的信号が第２のポートを通して伝送するために結合される量子鍵生成モジュール、または
第１のポートでの信号が古典的信号として取り扱われ、ルーティング情報を光スイッチコントローラに提供するために処理され、修正された古典的信号が生成され、修正された古典的信号が第２のポートを通して伝送するために提供される古典的モジュール
という量子鍵配送モジュールタイプのうちの１つである、請求項２２に記載の光ファイバ構成要素。
【請求項２４】
各量子鍵配送チャネルタイプが、古典的信号に対して双方向となるように適合され、それにより、第２のポートで受信される戻り古典的信号が、ルーティング情報を光スイッチコントローラに提供するために処理され、第１のポートを通して伝送するために提供される修正された戻り古典的信号が生成される、請求項２３に記載の光ファイバ構成要素。
【請求項２５】
第１のポートおよび第２のポートと光スイッチとの間の接続が光接続である、請求項２３または２４に記載の光ファイバ構成要素。
【請求項２６】
１組の光スイッチが量子鍵配送信号を２つ以上の宛先ノードの任意の１つにルーティングすることができる、請求項２３から２５のいずれか１項に記載の光ファイバ構成要素モジュール。
【請求項２７】
第１のポートで受信される信号が量子信号および古典的信号に分離される量子信号伝送モジュールからなり、古典的信号がルーティング情報を光スイッチコントローラに提供するために処理され、修正された古典的信号が生成され、量子信号および修正された古典的信号が第２のポートを通して伝送するために結合される、請求項２３から２６のいずれか１項に記載の光ファイバ構成要素で使用するための量子鍵配送モジュール。
【請求項２８】
第１のポートで受信される信号が量子信号および古典的信号に分離される量子信号再生モジュールからなり、量子信号および古典的信号が受信された信号のソースと第１の鍵を合意するために処理され、新しい量子信号が宛先ノードに伝送するために生成され、古典的信号がルーティング情報を光スイッチコントローラに提供するために処理され、新しい量子信号に関連する修正された古典的信号が生成され、別の量子信号および修正された古典的信号が第２のポートを通して伝送するために結合される、請求項２３から２６のいずれか１項に記載の光ファイバ構成要素で使用するための量子鍵配送モジュール。
【請求項２９】
第１のポートでの信号が古典的信号として取り扱われ、かつルーティング情報を光スイッチコントローラに提供するために処理される古典的モジュールからなり、第２のポートを通して伝送するために提供される修正された古典的信号が生成される、請求項２３から２６のいずれか１項に記載の光ファイバ構成要素で使用するための量子鍵配送モジュール。
【請求項３０】
量子鍵配送チャネルタイプが古典的信号に対して双方向となるように適合され、それにより第２のポートで受信される戻り古典的信号がルーティング情報を光スイッチコントローラに提供するために処理され、第１のポートを通して伝送するために提供される修正された戻り古典的信号が生成される、請求項２７から２９のいずれか１項に記載の量子鍵配送モジュール。
【請求項３１】
量子鍵配送による複数の宛先ノードへの鍵の配送のための鍵管理センタであって、
１つまたは複数の宛先ノードと鍵を合意するために、量子鍵配送プロトコルに従って量子鍵配送量子信号および量子鍵配送古典的信号を作り出すように適合される少なくとも１つの量子送信機ユニットと、
宛先ノードへの鍵の提供を管理するための鍵管理システムと、
鍵管理センタおよび宛先ノードを含む量子鍵配送ネットワーク上でのメッセージングを管理するネットワーク管理システムと
を含み、量子鍵配送古典的信号情報、鍵管理システムメッセージ、およびネットワーク管理システムメッセージを含む古典的信号を生成する古典的信号処理ユニットをさらに含む鍵管理センタ。
【請求項３２】
鍵管理センタに対する識別を提供する１つまたは複数のセキュリティトークンをさらに含む、請求項３１に記載の鍵管理センタ。
【請求項３３】
請求項３１または３２に記載の鍵管理センタ、および受動光ネットワーク上で伝送するために量子鍵配送信号を分割するための鍵配送ラックを含む鍵配送ネットワーク。
【請求項３４】
量子鍵配送により受動光ネットワーク上で鍵を配送する方法であって、
１つまたは複数の宛先ノードと鍵を合意するために、量子鍵配送プロトコルに従って少なくとも１つの量子送信機ユニットで量子鍵配送量子信号および量子鍵配送古典的信号を生成するステップと、
修正された量子鍵配送古典的信号での１つまたは複数の配送ノードの１つへの量子鍵配送信号のルーティングを決定するために、量子鍵配送古典的信号情報をルーティング情報と結合するステップと、
量子鍵配送量子信号、修正された量子鍵配送古典的信号、および暗号化されたデータ信号を出力光チャネル上で結合するステップと、
受動光ネットワーク上へ伝送するために出力光チャネルを複数の出力光ファイバ上に分割するステップと
を含む方法。
【請求項３５】
量子鍵配送で使用するための量子送信機ユニットであって、
パルス波または連続波の出力を提供するように適合されるレーザと、
単一光子出力を提供するための減衰器を含む第１の光路、および連続波出力を提供するための第２の光路、および第１の光路と第２の光路の間で量子送信機ユニットを切り換えるための切換手段と
偏光された出力を提供するための偏光変調器と
を含み、送信機ユニットは、
レーザがパルス出力を提供するように適合され、レーザからの光が第１の光路に沿って伝送され、単一光子が偏光変調器により決定される状態で量子鍵配送プロトコルに従って生成される単一光子生成状態と、
レーザが連続波出力を提供するように適合され、レーザからの光が第２の光路に沿って伝送され、送信機ユニットと単一光子信号に対する宛先の間の偏光変化の補償を可能にするために、光ビームが偏光変調器により決定される状態で生成される較正状態と
の間を切り換えるように適合される量子送信機ユニット。
【請求項３６】
量子鍵配送プロトコルで使用するための古典的信号を生成し、かつこれらの古典的信号を量子送信機ユニットにより生成される単一光子量子信号と結合するための手段をさらに含む、請求項３５に記載の量子送信機ユニット。
【請求項３７】
量子鍵配送で使用するための量子受信機ユニットであって、
受信される単一光子信号を任意の基底状態でビットとして検出するための、各基底状態での各ビット値に対する検出器を含む手段を含み、各前記検出器が単一光子検出状態と較正状態の間を切り換えられるように適合され、それにより、較正状態で、検出器が、量子鍵配送信号のソースと量子受信機ユニットの間の伝送システムでの偏光エラーの大きさを決定するためのブライトパルス（ｂｒｉｇｈｔ  ｐｕｌｓｅ）の検出のために適合される量子受信機ユニット。
【請求項３８】
古典的信号を量子信号から分離するため、および古典的信号を処理して、受信される量子信号から鍵を合意するためのアドドロップマルチプレクサをさらに含む、請求項３７に記載の量子受信機ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子鍵配送（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ、ＱＫＤ）で使用するための方法および装置に関する。本発明の様態は、光ファイバネットワークでのＱＫＤの使用をサポートする方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＱＫＤは量子力学の原理を使用して２者間で安全な通信を可能にする暗号過程である。ＱＫＤは、ある種の数学的問題を解決する計算上の困難さに依存する従来の古典的公開鍵暗号とは対照的である。典型的なＱＫＤ過程では、ランダムビットストリングが２者間で共有されるように確立される。ビットストリングの個々のビットが単一光子を使用して伝送される。ハイゼンベルク（Ｈｅｉｓｅｎｂｅｒｇ）の不確定性原理が適用される相補的特性を使用することにより、第三者による光子をモニタするどのような試みも光子の状態を乱すような方法で、情報が光子の中に符号化されることができる。ＱＫＤ法により２者間で暗号鍵が確立されると、次に、この暗号鍵は任意の従来の経路上で伝送されるデータを暗号化するために使用されることができる。
【０００３】
暗号化目的のために必要な相補的特性を提供するために、光子の偏光が使用されることができる。これは、最も広く使用されているＱＫＤプロトコルであるＢＢ８４（Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔ  ａｎｄ  Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ、「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｕｂｌｉｃ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｉｎ  ｔｏｓｓｉｎｇ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ、Ｓｙｓｔｅｍｓ、ａｎｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、Ｂａｎｇａｌｏｒｅ、ｐ．１７５（１９８４）で最初に記述された）で使用される手法である。ＢＢ８４は、共役状態を使用する代替手法たとえば位相符号化に適用されることができる。光子対のもつれ（ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ）に基づく異なるプロトコル（Ｅ９１など）もＱＫＤで使用されることができる。
【０００４】
ＢＢ８４では、送信側（一般に「アリス（Ａｌｉｃｅ）」と呼ばれる）および受信側（一般に「ボブ（Ｂｏｂ）」と呼ばれる）が光路により接続される。これはたとえば自由空間または光ファイバによることもある。量子状態がこの経路上で伝送されることができる。アリスおよびボブはまた、２者間の通信を可能にする任意のタイプの従来の古典的チャネルにより接続される。プロトコルが盗聴者（一般に「イブ（Ｅｖｅ）」と呼ばれる）による効果的妨害を防ぐので、どちらのチャネルも盗聴に対して安全である必要はない。
【０００５】
情報の各ビット（「０」または「１」）が、１対の直交偏光状態から選択することにより個々の光子上に符号化される。ＢＢ８４は２対の状態を使用し、直交状態の各対は「基底（ｂａｓｉｓ）」と呼ばれる。しかし、２つの基底は互いに直交しない。この特性はプロトコルを安全にするために使用される。量子的不確定性は、ハイゼンベルクの不確定性原理によれば、一般にそのような状態が元の状態を乱すことなしに正確に測定されることができないことを意味する。さらに、量子力学の定理である「複製不可能定理（ｎｏ  ｃｌｏｎｉｎｇ  ｔｈｅｏｒｅｍ）」は、非直交状態の同一コピーの生成が禁止されることを示す。以下の３つの基底、すなわち垂直（０°）および水平（９０°）の直線（ｒｅｃｔｉｌｉｎｅａｒ）基底、４５°および１３５°の対角（ｄｉａｇｏｎａｌ）基底、ならびに左回りおよび右回りの円（ｃｉｒｃｕｌａｒ）基底がすべて偏光状態対を提供するために使用されることができる。これらの基底の任意の２つが互いに共役であるので、これらの基底の任意の２つがプロトコルで使用されることができる。
【０００６】
プロトコルの実行にあたって、アリスはランダムビットを生成し、ランダム基底を選択し、単一光子をこのビットおよび基底により定義される偏光状態で送信し、光子が送信された時間を記録する。この過程はビットのストリングに対して繰り返される。ボブは各ビットを測定するための基底をランダムに選択し、受信の時間、測定基底、および受信された各ビットに対する測定結果を記録する。ボブは、各光子が受信された基底を伝達し、アリスは、各光子が送信された基底を伝達する。異なる基底が使用されたビットは捨てられ、残っているビットを共有鍵に対する基底として残す。共有されたビットのサブセットが、エラーを導入した盗聴と照合するためにアリスおよびボブにより使用される。このとき、情報調停（ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｒｅｃｏｎｃｉｌｉａｔｉｏｎ）およびプライバシ増幅（ｐｒｉｖａｃｙ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）の技術が共有鍵を決定するために使用されることができる。
【０００７】
異なる種類の光ファイバネットワーク上でのＱＫＤの実現が説明され、さまざまなＱＫＤシステムが実際に運用され、一般に専用量子チャネルおよびまったく別個の古典的チャネルを使用してきた。商業的に成功するＱＫＤ技術を達成するために、可能な場合には既存のインフラストラクチャを使用することが望ましいことが認識された。スペイン工業観光商務省により資金提供されたＣＥＮＩＴプログラムの一部であるＳＥＧＵＲ＠プロジェクトは、すでに存在する受動光ネットワークを使用してＱＫＤの配送を対象とする。受動光ネットワーク（ｐａｓｓｉｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｎｅｔｗｏｒｋ、ＰＯＮ）は増幅なしの光ネットワークであり、したがって、ＰＯＮでは量子信号が増幅されない。しかし、費用効率の良いＱＫＤソリューションがそのようなインフラストラクチャ上でどのようにして提供されることができるかは依然として明確ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００８／０３２０４８号
【特許文献２】国際公開第２００９／０９５６４４号
【特許文献３】国際公開第２００９／０９３０３６号
【特許文献４】英国特許出願公開第２００９／００１２２６号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔ  ａｎｄ  Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ、「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｕｂｌｉｃ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｉｎ  ｔｏｓｓｉｎｇ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ、Ｓｙｓｔｅｍｓ、ａｎｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、Ｂａｎｇａｌｏｒｅ、ｐ．１７５（１９８４）
【非特許文献２】Ｇｉｌｌｅｓ  Ｂｒａｓｓａｒｄ  ａｎｄ  Ｌｏｕｉｓ  Ｓａｌｖａｉｌ、「Ｓｅｃｒｅｔ−ｋｅｙ  ｒｅｃｏｎｃｉｌｉａｔｉｏｎ  ｂｙ  ｐｕｂｌｉｃ  ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ」ｉｎ  Ｔｏｒ  Ｈｅｌｌｅｓｅｔｈ、ｅｄｉｔｏｒ、Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｃｒｙｐｔｏｌｏｇｙ−ＥＵＲＯＣＲＹＰＴ’９３、ｖｏｌｕｍｅ  ７６５  ｏｆ  Ｌｅｃｔｕｒｅ  Ｎｏｔｅｓ  ｉｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｐａｇｅｓ４１０−４２３、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、１９９４
【非特許文献３】Ｗ．−Ｙ．Ｈｗａｎｇ、「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  Ｌｏｓｓ：Ｔｏｗａｒｄ  Ｇｌｏｂａｌ  Ｓｅｃｕｒｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９１、０５７９０１（２００３）
【非特許文献４】Ａｎｄｅｒｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．、「Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｉｃ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ−ａ  ｓｕｒｖｅｙ」、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  ＵＣＡＭ−ＣＬ−ＴＲ−６４１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
既存のまたは従来の光ファイバネットワークと共に使用するために費用効率よく提供されることができるＱＫＤの方法およびアーキテクチャが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の態様では、本発明は、入力信号を入力光ファイバから受信するための少なくとも１つの入力と、出力信号を出力光ファイバに提供するための少なくとも１つの出力と、入力信号を入力量子信号および入力古典的信号に分割するための第１のアドドロップマルチプレクサ（ａｄｄ  ｄｒｏｐ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）と、出力量子信号を出力古典的信号と結合して出力信号にするための第２のアドドロップマルチプレクサとを含み、入力量子信号を出力量子信号に処理するための第１の処理経路、および入力古典的信号を出力古典的信号に処理するための第２の処理経路を有し、第２の処理経路は入力古典的信号を処理し出力古典的信号を作り出すための処理論理を含む光ファイバネットワーキング構成要素を提供する。
【００１２】
本発明者らは、量子鍵配送のために量子信号および古典的信号を同じファイバ上でルーティングすることによるが、これらの信号をネットワークノードで別個に処理することにより、量子鍵配送が（それぞれの想定されるＱＫＤチャネルに対する別個のファイバ経路または別個の構成要素に対する要件を通して）法外な費用なしに従来の光ファイバネットワーク上で効果的に実行されることができることを認識した。
【００１３】
光ファイバネットワーキング構成要素は、光スイッチのマトリクスをさらに含むことができ、光ファイバネットワーキング構成要素は複数の出力を含み、光スイッチのマトリクスは第２の処理経路に接続され、それにより、光スイッチのマトリクスは入力古典的信号に応答して第２の処理経路により制御されることができる。このことは、古典的信号が量子鍵配送信号のルーティングを制御するために使用されることができるようにする。
【００１４】
有利なことに、量子信号および古典的信号は別個の波長で運ばれる。この場合、アドドロップマルチプレクサは、古典的信号を反射し量子信号を透過するように適合される１つまたは複数のフィルタを含むことができる。これは、光ファイバネットワーク上での量子信号の波長分割多重化を考慮する。量子信号経路上の損失の可能性を最小にするために構成要素選択が行われることがある。
【００１５】
有利なことに、第２の処理経路は、第１のトランスポンダでの第１の電気信号への入力古典的信号の変換、第１の電気信号の処理および光ファイバネットワーキング構成要素論理ユニットによる第２の電気信号の生成、ならびに第２のトランスポンダでの出力古典的信号への第２の電気信号の変換を含むことができる。このことは、古典的信号の形で提供される情報が各ノードで処理され使用されることができるようにし、この経路をネットワーク管理メッセージおよびルーティング情報のための適切なチャネルにする。
【００１６】
適切な配置では、光ファイバネットワーキング構成要素は古典的信号に対して双方向であってもよく、それにより、光ファイバネットワーキング構成要素は、第２の入力古典的信号を少なくとも１つの出力の１つで受信し、第２の入力古典的信号を第２のトランスポンダで第３の電気信号に変換し、光ファイバネットワーキング構成要素論理ユニットで第３の電気信号を処理して第４の電気信号を生成し、第４の電気信号を第１のトランスポンダで第２の出力古典的信号に変換し、第２の出力古典的信号を少なくとも１つの入力の１つで送信するように適合される。このことはメッセージの効果的ルーティングを可能にし、構成要素の用い方を改善する。
【００１７】
第１の処理経路は、少なくとも１つの出力の１つでの入力量子信号の直接送信を含むことができる。これは、量子信号が、次の想定されるネットワークノードの前で、受け入れられないレベルのエラーを得ない場合に適切である。
【００１８】
あるいは、第１の処理経路は量子受信機および量子送信機を含むことができ、第１の処理経路および第２の処理経路は鍵合意論理を一緒に提供し、それにより、光ファイバネットワーキング構成要素は量子鍵配送により第１の鍵を入力量子信号のソースと合意し、量子鍵配送により第２の鍵を出力量子信号の宛先と合意するように適合される。この配置は、以下でより詳細に説明される仕組みを使用して、中間量子ノードの使用により量子送信機と量子受信機の間の到達可能範囲の拡張を可能にさせる。この配置では、第２の鍵は入力量子信号のソースにより部分的にまたは完全に決定されることができる。
【００１９】
特定のネットワークでは、データトラフィックだけでなくＱＫＤトラフィックも光ファイバネットワーキング構成要素内部で取り扱われることが適切であることがある。この場合、第１のアドドロップマルチプレクサは入力信号を入力データ信号だけでなく入力量子信号および入力古典的信号に分割するように適合されることができ、第２のアドドロップマルチプレクサは出力データ信号だけでなく出力量子信号および出力古典的信号を結合するように適合されることができる。そのような配置では、データ信号、量子信号、および古典的信号はどれも、有利なことに別個の波長で運ばれ、入力信号および出力信号は波長分割多重化された信号になる。波長分割多重化された信号は受動光ネットワーク上での信号伝送に特に適している。
【００２０】
第２の態様では、本発明は量子鍵配送により鍵生成ノードから宛先ノードに鍵を配送する方法を提供し、方法は鍵生成ノードで、量子鍵配送プロトコルに従って第１の波長で量子信号を生成するステップと、量子鍵配送プロトコルに従って古典的信号、ならびに量子信号および古典的信号を宛先ノードにルーティングするためのネットワークに対するメッセージング情報を含む古典的信号を第２の波長または波長の組で生成するステップと、量子信号および古典的信号を宛先ノードに送信するために光ファイバ上で結合するステップと、鍵を確立するために入力古典的信号を宛先ノードから受信するステップとを含む。
【００２１】
第３の態様では、本発明は量子鍵配送により鍵生成ノードから宛先ノードに鍵を配送する方法を提供し、方法は宛先ノードで、入力信号を受信するステップと、入力信号を第１の波長で量子信号に、第２の波長または波長の組で古典的信号に分離するステップと、ビットストリームを提供するために量子信号を任意の基底で測定するステップと、量子鍵配送プロトコルに従ってビットストリームから鍵を確立するために戻り古典的信号を生成するステップとを含み、戻り古典的信号は、戻り古典的信号を鍵生成ノードにルーティングするためのネットワークに対するメッセージング情報を含む。
【００２２】
第４の態様では、本発明は量子鍵配送により鍵生成ノードから宛先ノードに鍵を配送する方法を提供し、方法は鍵生成ノードと宛先ノードの間の中間ノードで、入力信号を鍵生成ノードから受信するステップと、入力信号を第１の波長で量子信号に、第２の波長または波長の組で古典的信号に分離するステップと、鍵生成ノードと宛先ノードを接続するネットワークに関係のある第１のメッセージング情報を得るために古典的信号を処理し、第１のメッセージング情報を処理し、修正された古典的信号を生成するステップと、宛先ノードへの伝送のために量子信号と修正された古典的信号を結合するステップとを含む。
【００２３】
有利なことに、この配置では、第１のメッセージング情報を処理するステップは、量子信号および修正された古典的信号を宛先ノードにルーティングするために中間ノードを構成するステップを含む。
【００２４】
これらの方法は、量子構成要素および光ファイバを効果的に使用し、従来の光ファイバネットワークを含む光ファイバネットワーク上での鍵の効果的配送を可能にさせる。
【００２５】
第５の態様では、本発明は１組の光スイッチ、光スイッチコントローラ、および１つまたは複数の量子鍵配送モジュールを含む光ファイバ構成要素を提供し、各量子鍵配送モジュールは、１組の光スイッチにそれぞれ接続される第１のポートおよび第２のポートを提供され、光スイッチコントローラへの電気接続をさらに提供され、光スイッチコントローラは、電気接続を用いて１つまたは複数のモジュールから受信される信号に応答して量子鍵配送信号をルーティングするために１組の光スイッチを制御するように適合される。
【００２６】
量子鍵配送機能を提供される光ファイバ構成要素を提供するこのモジュール式手法は、量子鍵配送インフラストラクチャの実用的で費用効率の良い実現―および修正―を考慮する。
【００２７】
光ファイバ構成要素モジュールは、１組の光スイッチが量子鍵配送信号を２つ以上の宛先ノードの任意の１つにルーティングすることができるように配置されることができる。これは、トラフィックをノード、リンク、または同種のものの周囲に単にルーティングすることができるネットワークと比較されたとき、より融通のきくネットワークを提供する。
【００２８】
第６の態様では、本発明は上述されたような光ファイバ構成要素で使用するための量子鍵配送モジュールを提供し、量子鍵配送モジュールは、第１のポートで受信される信号が量子信号および古典的信号に分離される量子信号伝送モジュールからなり、古典的信号はルーティング情報を光スイッチコントローラに提供するために処理され、修正された古典的信号が生成され、量子信号および修正された古典的信号は第２のポートを通して伝送するために結合される。
【００２９】
第７の態様では、本発明は上述のような光ファイバ構成要素で使用するための量子鍵配送モジュールを提供し、量子鍵配送モジュールは第１のポートで受信される信号が量子信号および古典的信号に分離される量子信号再生成モジュールからなり、量子信号および古典的信号は受信された信号のソースと第１の鍵を合意するために処理され、新しい量子信号が宛先ノードへ伝送するために生成され、古典的信号はルーティング情報を光スイッチコントローラに提供するために処理され、新しい量子信号に関連する修正された古典的信号が生成され、別の量子信号および修正された古典的信号は第２のポートを通して伝送するために結合される。
【００３０】
第８の態様では、本発明は上述のような光ファイバ構成要素で使用するための量子鍵配送モジュールを提供し、量子鍵配送モジュールは、第１のポートでの信号が古典的信号として取り扱われ、ルーティング情報を光スイッチコントローラに提供するために処理され、第２のポートを通して伝送するために提供される修正された古典的信号が生成される古典的モジュールからなる。
【００３１】
これらのモジュールは、光ファイバ量子鍵配送ネットワークでのノードのモジュール式構成および再構成を可能にさせる。
【００３２】
有利なことに、それぞれのそのような量子鍵配送チャネルタイプは古典的信号に対して双方向となるように適合され、それにより、第２のポートで受信される戻り古典的信号が、ルーティング情報を光スイッチコントローラに提供するために処理され、第１のポートを通して伝送するために提供される修正された戻り古典的信号が生成される。
【００３３】
第９の態様では、本発明は量子鍵配送により鍵を複数の宛先ノードに配送するための鍵管理センタを提供し、鍵管理センタは、１つまたは複数の宛先ノードと鍵を合意するために、量子鍵配送プロトコルに従って量子鍵配送量子信号および量子鍵配送古典的信号を作り出すように適合される少なくとも１つの量子送信機ユニットと、宛先ノードへの鍵の提供を管理するための鍵管理システムと、鍵管理センタおよび宛先ノードを含む量子鍵配送ネットワーク上でのメッセージングを管理するためのネットワーク管理システムとを含み、鍵管理センタは、量子鍵配送古典的信号情報、鍵管理システムメッセージ、およびネットワーク管理システムメッセージを含む古典的信号を生成する古典的信号処理ユニットをさらに含む。
【００３４】
そのような配置は、元の鍵のソースに関連する鍵配送ネットワーク上でのメッセージングの中央管理を許可することにより、効果的鍵配送を可能にする。このことは、ネットワーク構成要素が効果的に使用されることができるような方法で達成され、効果的システム運用を達成することが必要な場合には冗長性を伴うが、費用を節約することが適切な場合には構成要素および通信経路の再利用を伴う。
【００３５】
第１０の態様では、本発明は量子鍵配送により受動光ネットワーク上で鍵を配送する方法を提供し、方法は、１つまたは複数の宛先ノードと鍵を合意するために、量子鍵配送プロトコルに従って少なくとも１つの量子送信機ユニットで量子鍵配送量子信号および量子鍵配送古典的信号を生成するステップと、修正された量子鍵古典的信号での１つまたは複数の配送ノードの１つへの量子鍵配送信号のルーティングを決定するために、量子鍵配送古典的信号情報をルーティング情報と結合するステップと、量子鍵配送量子信号、修正された量子鍵配送古典的信号、および暗号化されたデータ信号を出力光チャネル上で結合するステップと、受動光ネットワーク上へ伝送するために出力光チャネルを複数の出力光ファイバ上に分割するステップとを含む。
【００３６】
この手法により、あらゆるノードで量子構成要素を有することにより、必要とされる構成要素費用を大きく増加させずに受動光ネットワーク上で量子鍵配送を効果的にすることができる。さらに、どの経路上に信号が送信されるかを、少なくとも１つの出力ファイバから選択することが可能である。各出力ファイバが別個のＰＯＮに接続されることができる。このことは、それぞれの多数のＰＯＮにサービスを提供するために、１つまたは少しの量子鍵配送が必要とされるという点で有利である。
【００３７】
第１１の態様では、本発明は量子鍵配送で使用するための量子送信機ユニットを提供し、量子送信機ユニットは、パルス波または連続波の出力を提供するように適合されるレーザと、単一光子出力を提供するための減衰器を含む第１の光路、および連続波出力を提供するための第２の光路、および第１の光路と第２の光路の間で量子送信機ユニットを切り換える切換手段と、偏光された出力を提供するための偏光変調器とを含み、それにより、送信機ユニットは、レーザがパルス出力を提供するように適合され、レーザからの光が第１の光路に沿って伝送され、単一光子が偏光変調器により決定される状態で量子鍵配送プロトコルに従って生成される単一光子生成状態と、レーザが連続波出力を提供するように適合され、レーザからの光が第２の光路に沿って伝送され、送信機ユニットと単一光子信号に対する宛先の間の偏光変化の補償を可能にするために、光ビームが偏光変調器により決定される状態で生成される較正状態との間を切り換えるように適合される。
【００３８】
第１２の態様では、本発明は量子鍵配送で使用するための量子受信機ユニットを提供し、量子受信機ユニットは、受信される単一光子信号を任意の基底状態でビットとして検出するための、各基底状態での各ビット値に対する検出器を含む手段を含み、各前記検出器は単一光子検出状態と較正状態の間を切り換えられるように適合され、それにより、較正状態では、検出器は、量子鍵配送信号のソースと量子受信機ユニットの間の伝送システムでの偏光エラーの大きさを決定するためのブライトパルス（ｂｒｉｇｈｔ  ｐｕｌｓｅ）の検出のために適合される。
【００３９】
これらの手法は、量子送信機ユニットおよび量子受信機ユニットを作り出す費用が構成要素の再利用により管理されることができるようにし、同じ構成要素および可能な場合には光路が較正および測定のために使用されることを保証することにより、エラーが低減されることができるようにする。
【００４０】
ここで、本発明の具体的な実施形態が、以下の図面を参照して例によって以下で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の態様の一実施形態による２つのノード間の直接接続を使用する量子鍵配送システムの一実装形態の基本要素を示す図である。
【図２】ＢＢ８４などのプロトコルに従って２つのノード間で量子鍵を確立する際のステップを概略的に示す図である。
【図３】ＢＢ８４偏光スキームを使用する、量子送信機による伝送のための可能な偏光状態を示す図である。
【図４】ＢＢ８４スキームに従って基本共有鍵のビットを確立する際に量子送信機および量子受信機により交換される情報を示す図である。
【図５Ａ】量子ＱＫＤ信号を古典的信号と結合する際に使用するための光マルチプレクサの一実施形態を示す図である。
【図５Ｂ】量子ＱＫＤ信号を古典的信号から分離する際に使用するための光マルチプレクサの一実施形態を示す図である。
【図６Ａ】図５Ａおよび図５Ｂのマルチプレクサで使用されるフィルタのスペクトル特性を示す図である。
【図６Ｂ】図５Ａおよび図５Ｂのマルチプレクサで使用されるフィルタのスペクトル特性を示す図である。
【図６Ｃ】図５Ａおよび図５Ｂのマルチプレクサで使用されるフィルタのスペクトル特性を示す図である。
【図７】図１の量子鍵配送システムで使用するのに適した量子送信機の一実施形態を示す図である。
【図８】図１の量子鍵配送システムで使用するのに適した量子受信機の一実施形態を示す図である。
【図９Ａ】図８の量子受信機で使用するのに適した検出器対を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ａの検出器対の検出応答を示す図である。
【図１０】本発明の態様および実施形態が実現されることができる簡単な光ファイバネットワークを概略的関係で示す図である。
【図１１Ａ】データトラフィックが量子鍵配送トラフィックから分離されるネットワークノードの一実施形態を示す図である。
【図１１Ｂ】データトラフィックが量子鍵配送トラフィックから分離されるネットワークノードの一実施形態を示す図である。
【図１２】本発明の態様の一実施形態による中間量子ノードを示す図である。
【図１３】本発明の態様による量子鍵配送モジュールの第１の実施形態を示す図である。
【図１４】本発明の態様による量子鍵配送モジュールの第２の実施形態を示す図である。
【図１５】本発明の態様による量子鍵配送モジュールの第３の実施形態を示す図である。
【図１６】本発明の態様による量子鍵配送モジュールを備える中間量子ノードの第１の実施形態を示す図である。
【図１７】本発明の態様による量子鍵配送モジュールを備える中間量子ノードの第２の実施形態を示す図である。
【図１８】本発明の態様によるデータトラフィックのために中継器を利用する中間ノードの一実施形態を示す図である。
【図１９】本発明の態様による鍵管理センタの一実施形態を示す図である。
【図２０】本発明の態様による量子鍵配送ネットワークのエンドポイントの第１の実施形態としてのデスクトップユニットを示す図である。
【図２１】本発明の態様による量子鍵配送ネットワークのエンドポイントの第２の実施形態としてのネットワークゲートウェイユニットを示す図である。
【図２２】本発明の態様による量子鍵配送ネットワークのエンドポイントの第３の実施形態としてのデータストアユニットを示す図である。
【図２３】本発明の態様による量子鍵配送のための従来の光ファイバネットワークの第１の実施形態を示す図である。
【図２４】本発明の態様による量子鍵配送のための従来の光ファイバネットワークの第２の実施形態を示す図である。
【図２５】本発明の態様による量子鍵配送のための従来の光ファイバネットワークの第３の実施形態を示す図である。
【図２６】本発明の態様による量子鍵配送のための従来の光ファイバネットワークの第４の実施形態を示す図である。
【図２７】本発明の態様による量子鍵配送のための従来の光ファイバネットワークの第５の実施形態を示す図である。
【図２８Ａ】データ信号を含み、量子ＱＫＤ信号を古典的信号と結合する際に使用するための光マルチプレクサの一実施形態を示す図である。
【図２８Ｂ】データ信号を含み、量子ＱＫＤ信号を古典的信号から分離する際に使用するための光マルチプレクサの一実施形態を示す図である。
【図２９Ａ】図２８Ａおよび図２８Ｂのマルチプレクサで使用されるフィルタのスペクトル特性を示す図である。
【図２９Ｂ】図２８Ａおよび図２８Ｂのマルチプレクサで使用されるフィルタのスペクトル特性を示す図である。
【図２９Ｃ】図２８Ａおよび図２８Ｂのマルチプレクサで使用されるフィルタのスペクトル特性を示す図である。
【図３０】本発明の態様および実施形態が実現されることができる受動光ネットワークに特に適した簡単な光ファイバネットワークを概略的関係で示す図である。
【図３１】本発明の態様による量子鍵配送受動光ネットワークのためのエンドポイントの一実施形態としてのデスクトップユニットを示す図である。
【図３２】本発明の態様による量子鍵配送受動光ネットワークのための鍵配送ラックの一実施形態を示す図である。
【図３３】図３２の鍵配送ラックで使用するのに適したラインカードの一実施形態を示す図である。
【図３４】本発明の態様による量子鍵配送のための受動光ネットワークの第１の実施形態を示す図である。
【図３５】本発明の態様による量子鍵配送のための受動光ネットワークの第２の実施形態を示す図である。
【図３６】本発明の態様による量子鍵配送のための受動光ネットワークの第３の実施形態を示す図である。
【図３７Ａ】本発明の態様による量子送信機装置および量子受信機装置の実施形態での暗号構成要素とＱＫＤ構成要素の間の相互関係を示す図である。
【図３７Ｂ】本発明の態様による量子送信機装置および量子受信機装置の実施形態での暗号構成要素とＱＫＤ構成要素の間の相互関係を示す図である。
【図３７Ｃ】本発明の態様による量子送信機装置および量子受信機装置の実施形態での暗号構成要素とＱＫＤ構成要素の間の相互関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
ここで、本発明の適用を例示する具体的実施形態が説明される。まず第一に、その後の通信で使用するための量子鍵を２つのノード間の直接接続が確立する本発明の特定の態様が簡単な配置を参照して説明される。この後、多数のノードが存在し、かつ２つのノード間の接続が直接でなくてもよい従来の光ファイバネットワーク配置を参照して、本発明の別の態様が説明される。原理に従って構築され運用されることができ、本節の前述の部分で説明される要素を備える例示的ネットワークが示される。最後に、従来の光ファイバネットワークに適用される原理が、受動光ネットワークで使用するために修正され、例示的ネットワークが再び説明される。
【００４３】
図１は、本発明の態様の一実施形態による２つのノード間の直接接続による量子鍵配送を実現する基本要素を示す。鍵配送ノード１が、光信号を１つまたは複数の光ファイバ３上で鍵受信ノード２に送信する。鍵配送ノード１は量子送信機１１、第１の古典的送信機／受信機１２を有し、第１のデータ送信機／受信機１３を有することがある。鍵受信ノードは量子受信機１６、第２の古典的送信機／受信機１７を有し、第２のデータ送信機／受信機１８を有することがある。本技術分野での標準的用法によれば、量子送信機は「アリス」として識別され、量子受信機は「ボブ」として識別され、これらの用語は以下の説明で交換可能なように使用される。
【００４４】
原則として、量子トラフィック、古典的トラフィック、およびデータトラフィックのために別個の光ファイバが使用されてもよい。古典的トラフィックおよびデータトラフィックは、既存の光データネットワーキングプロトコルに従って伝送される従来のデジタル信号であってもよい。古典的トラフィックおよびデータトラフィックは１つの光ファイバ上に容易に結合されることができる。量子トラフィックは、上記で示され、以下でさらに説明されるように非常に異なる。それにもかかわらず、このトラフィックも古典的トラフィックおよび／またはデータトラフィックと同じファイバ上に結合されることができることが判明した。この場合、第１のマルチプレクサ１４が量子トラフィック、古典的トラフィック、およびデータトラフィックを単一ファイバ３上で結合し、第２のマルチプレクサ１５が量子トラフィック、古典的トラフィック、およびデータトラフィックを分離して、それらのトラフィックが別個に処理されることができるようにする。
【００４５】
トラフィックのタイプ間の大きな違いが、量子トラフィックは回線交換される必要があるが、古典的トラフィックおよびデータトラフィックは（任意の従来の通信ネットワークで一般に好まれるように）パケット交換されてもよいことである。これは、量子トラフィックは、単一光子が所与の偏光状態で送信され受信されるため、量子送信機と量子受信機の間の中断のない経路の存在に依存するためである。このことは、量子トラフィックを経路遮断の危険にさらす。量子送信機と量子受信機の間の指定された経路の一部が量子トラフィックに利用できない場合（たとえば、別のトラフィックに割り当てられた場合）、量子トラフィックが自分の宛先に到達する方法がない。従来の光ファイバネットワーク上で実現されるＱＫＤシステムに対するこの潜在的問題に本発明の態様がどのように対処するかが以下で説明される。
【００４６】
古典的送信機および受信機は、光ファイバのように従来型であり、この段階ではさらに説明されない。例示的マルチプレクサ、ならびにアリスユニットおよびボブユニットは、アリスとボブの間で量子鍵を確立するために使用される方法の説明の後に以下で説明される。
【００４７】
説明される方法は量子鍵配送のためのＢＢ８４プロトコルに従うが、本明細書で提示される手法は原則として別のＱＫＤプロトコルに適用することができる。ＢＢ８４プロトコルの基本要素は上記で簡潔に説明された。これらの基本要素は図２を参照して以下により詳細に説明される。
【００４８】
上記で示されたように、第１のステップ２１は、アリスが一連のビットを生成し、送信することである。各単一ビットに対して、これは、ランダムビットの生成、伝送のための基底のランダムな選択、ビットおよびビットの基底を表す光子偏光状態の準備（図３に示されるように、たとえば、直線基底では０が垂直偏光状態であり、対角基底では１が１３５°の状態である）、およびこの偏光状態でのボブへの単一光子の送信を伴い、送信される各光子の状態、基底、および時間が記録される。
【００４９】
次のステップ２２は、受信される各光子に対して測定基底のランダムな選択を行い、時間、測定基底、および測定された結果を記録するボブによりこれらのビットが受信されることである。
【００５０】
次のステップ２３は、アリスとボブの間で情報を公然と交換することである。まず第一に、ボブは、受信された光子に対するタイミング情報、および受信された各光子が測定された基底をアリスに伝達する。次に、アリスは、受信された光子にどのパルスが対応するかを決定し、それぞれのそのようなパルスで送信された光子がどの基底で符号化されたかをボブに伝達する。多くのパルスがボブの所で受信される光子をもたらすわけではないので、冗長な通信を防ぐためにこの交換がボブから始まることが望ましい。次に、各当事者は、どの光子が同じ基底で符号化され測定されたかを知り、その後、関連するビットが暗号鍵で使用されることができる。図４は各ビットに関し各当事者により知られている情報を示し、したがって、どのビットが鍵の一部を形成することができるかを示す。
【００５１】
この後、次のステップ２４は、盗聴の存在をチェックすることである。アリスおよびボブは、合意されたサブセットのビットを共有することによりこれを行う。盗聴があった場合、このことがボブの測定結果にエラーを導入したことを量子的不確定性が要求する。エラーの別の潜在的原因もあり得るが、安全のために、測定結果は、実際にはそのようなエラーがすべてまるで盗聴の結果であるかのように取り扱われることがある。非ゼロエラーについては、同一の鍵に関して最小の情報が任意のイブにより保持され、同一の鍵がアリスとボブの間で共有されることを保証するために、情報調停（ｒｅｃｏｎｃｉｌｉａｔｉｏｎ）およびプライバシ増幅（ｐｒｉｖａｃｙ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）が使用されることができる。
【００５２】
情報調停のステップ２５は、公開チャネル上でのエラー訂正プロトコル（たとえば、Ｇｉｌｌｅｓ  Ｂｒａｓｓａｒｄ  ａｎｄ  Ｌｏｕｉｓ  Ｓａｌｖａｉｌによる「Ｓｅｃｒｅｔ−ｋｅｙ  ｒｅｃｏｎｃｉｌｉａｔｉｏｎ  ｂｙ  ｐｕｂｌｉｃ  ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ」ｉｎ  Ｔｏｒ  Ｈｅｌｌｅｓｅｔｈ、ｅｄｉｔｏｒ、Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｃｒｙｐｔｏｌｏｇｙ−ＥＵＲＯＣＲＹＰＴ  ’９３、ｖｏｌｕｍｅ  ７６５  ｏｆ  Ｌｅｃｔｕｒｅ  Ｎｏｔｅｓ  ｉｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｐａｇｅｓ４１０−４２３、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、１９９４と題する論文で説明されるカスケードプロトコル）の使用を伴う。これは何回かにわたり動作し、各回で鍵がブロックに分割され、ブロックのパリティが比較される。パリティエラーを見つけ出し訂正するために二分探索が使用される。すべてのブロックが比較された後、鍵は同じランダムな方法で記録され、別の回のブロック比較および訂正が行われる。これらの回は、アリスおよびボブが同一鍵を有する確率が高くなるまで続く。しかし、イブはこの過程を通して共有鍵に関する追加情報を得る。
【００５３】
共有鍵についてのイブの知識は、最終ステップ２６のプライバシ増幅により低減され、プライバシ増幅はそれまでの伝送ステップのいずれからの共有鍵についてのイブの部分的知識も低減するように設計される。元のバイナリストリングからより短いバイナリストリングを作り出すために、一般的ハッシュ関数がそのような関数のライブラリからランダムに選択される。短縮の量は、イブが新しい鍵について任意の知識を有する確率を非常に低い値まで低減するように、イブが伝送ステップで元の鍵に関して盗聴から得られることができた情報の最大量に従って計算される。
【００５４】
この過程は２者が共有秘密鍵を交換することができるようにするが、それ自体、一方の当事者が他方の当事者の識別を知ることができるようにしないことに留意されたい。したがって、中間者（ｍａｎ−ｉｎ−ｔｈｅ−ｍｉｄｄｌｅ）攻撃から保護するために共有鍵が確立されると、従来の暗号手法を使用する相互認証の別のステップが必要とされる。そのような攻撃では、攻撃者（一般に「マロリ（Ｍａｌｌｏｒｙ）」として知られる）がアリスとボブの間のすべての通信を傍受し、自分がアリスに向かってまるでボブであるかのように、ボブに向かってまるでアリスであるかのように動作する。このとき、アリスは１つの暗号鍵をマロリと合意し、マロリは異なる秘密鍵をボブと合意する。アリスおよびボブに知られているがマロリに知られていない――識別鍵などの――すでに存在する共有秘密がある場合、マロリは相互認証過程でアリスのふりもボブのふりもすることができないので、この攻撃は相互認証過程で明らかにされる。
【００５５】
ここで、図１に示されるシステムの重要な要素がより詳細に説明される。送信機／受信機１２、１３、１７、および１８は従来の光ネットワーキング構成要素であり、さらに説明される必要がない。光チャネル３も１つまたは複数の従来の光ファイバから構成されることができる。量子送信機（「アリスユニット」）１１および量子受信機（「ボブユニット」）１６は以下でより詳細に説明されるが、まずマルチプレクサ１４、１５が説明される。
【００５６】
図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の実施形態で使用される光アドドロップマルチプレクサを示す。図５Ａは、信号を量子チャネル、たとえば量子送信機１１から受信し、それを古典的信号と結合する送信機マルチプレクサ１４を示す。図５Ｂは、古典的信号と量子信号の両方を含む合成信号を受信し、合成信号から量子信号を分解して、量子チャネル構成要素たとえば量子受信機１６に提供する受信機マルチプレクサ１５を示す。
【００５７】
図５Ａは、単一光ファイバ上への古典的ＱＫＤチャネル５２および量子ＱＫＤチャネル５１の多重化を示す。この配置では、量子ＱＫＤチャネルは最も短い波長（たとえば約１．２８μｍであってもよい量子ＱＫＤ波長λＱ）で動作し、古典的ＱＫＤチャネルは量子ＱＫＤチャネルより少し長いが量子ＱＫＤ波長から十分なスペクトル分離がある波長で動作するので、古典的トラフィックおよび量子トラフィックは情報の干渉も他の損失もなしに分離されることができる（古典的ＱＫＤ波長λＣは、たとえば約１．３μｍであってもよい）。
【００５８】
ここに示される配置では、データチャネルは量子鍵配送ノードに運ばれない。データチャネルはまったく別のチャネル上で運ばれることができるが、データトラフィック、量子ＱＫＤトラフィック、および古典的ＱＫＤトラフィックがすべて同じファイバ上で運ばれ、かつデータトラフィックが図５Ａおよび図５Ｂに示されるマルチプレクサの前および後で分割される実施形態が以下で説明される。データチャネルは従来の光ネットワーキング帯域を使用することができる（データ波長はλＰＯＮで指定され、たとえば約１．５μｍであってもよいが、これは実際には波長分割多重化ネットワークで使用される帯域の範囲であってもよい）。したがって、データトラフィック、量子ＱＫＤトラフィック、および古典的ＱＫＤトラフィックを単一光ファイバ上に結合する可能性がある。
【００５９】
古典的ＱＫＤチャネル５２は低域フィルタ５５を通過する。このことが古典的ＱＫＤチャネル内のトラフィックをまったく影響されずに残す。低域フィルタ５５の目的は、図６Ｂに示されるように、量子チャネルのスペクトルを、このチャネル内のノイズを最小に保つためにきれいにすることである。結合された古典的チャネルは、第２の多重化フィルタ５６で量子ＱＫＤチャネルと連結される。図６Ａに示されるように、第２の多重化フィルタ５６はλＱに対する帯域フィルタであり、λＣで光を反射するので、チャネルは出力ポート５７で出力として結合する。古典的信号中の量子チャネル帯域内にノイズが存在する場合でさえ、これは第２の多重化フィルタ５６により信号から取り除かれるべきであることに留意されたい。そのようなノイズはλＱにあるので、フィルタをそのまま通過し、古典的信号のように出力ポート５７に反射されることはない。
【００６０】
送信機マルチプレクサ１４は量子ＱＫＤトラフィック――アリスからボブにだけ進む――に対して片方向であるが、古典的トラフィックに対して双方向であってもよいことに留意されたい。このことは（本発明の実施形態はこの特性なしに提供されることができるという点で）本質的ではないが、データチャネルおよび古典的ＱＫＤチャネルが双方向であることが一般に最も都合がよい。これらのチャネルのどちらも実際には複数の光チャネルとして実現されることができる。たとえば、データチャネルはＷＤＭを使用し、ある範囲の周波数の間でデータを配送することができ、古典的ＱＫＤチャネルは１対の波長を、一方を一方向のトラフィックのために、他方を他方向のトラフィックのために使用することができ、対は波長が十分近いので、両方とも単一の帯域フィルタにより通過されることができる。
【００６１】
図５Ｂに示される配置は本質的に類似しているが、この場合、量子ＱＫＤチャネル６１は、合成古典的量子信号からマルチプレクサで分岐されることになる。合成信号は入力ポート６０で受信される。第１の逆多重化フィルタ６４――第２の多重化フィルタ５６と同じ構成要素であってもよいλＱに対する帯域フィルタ――は量子ＱＫＤチャネル６１が通過することができるようにするが、古典的チャネルを反射する。量子ＱＫＤスペクトルをきれいにする必要がないので（この信号はすでに分岐されたため）、この合成信号はそのまま通過する。この場合も、図５Ｂのマルチプレクサはすべての古典的トラフィックに対して双方向であってもよいが、量子ＱＫＤトラフィックに対して片方向である（厳密には、図５Ａのマルチプレクサも図５Ｂのマルチプレクサも、古典的トラフィックに対してマルチプレクサ／デマルチプレクサであると、量子ＱＫＤトラフィックに対してそれぞれマルチプレクサおよびデマルチプレクサであると考えられることができる）。
【００６２】
示される配置では、量子トラフィックおよび古典的トラフィックはいずれのトラフィックタイプへも侵害することなく効果的に結合される。量子ＱＫＤトラフィックは単一光子の状態であり、したがって、ノイズを特に受けやすいので、このトラフィックの経路は簡単なままにされる。たとえば、図５Ａのマルチプレクサでも図５Ｂのマルチプレクサでも、量子ＱＫＤチャネルは、どのフィルタでも反射されるのではなく、図５Ａのマルチプレクサでは第２の多重化フィルタ５５を単に通過して、結合された信号が出力ポートを離れることを完了し、図５Ｂのマルチプレクサでは第１の逆多重化フィルタ６４を単に通過することが留意されることができる。したがって、量子信号は少ししか乱されない。
【００６３】
図７は、図１の量子送信機１１として使用するのに適した量子送信機（アリスユニット）の一実施形態を示す。この実施形態には実用上、特に有利な点が、特に、必要とされるすべての偏光状態を作り出すことができ、単一レーザを使用して較正のために連続波動作を提供することができるという特に有利な点がある。
【００６４】
レーザ７１は、短い単一パルス動作も連続波動作も可能な狭スペクトル帯半導体レーザである。電気通信グレードレーザ（たとえば、分散帰還型レーザ）がこの目的に適している。量子鍵ビット生成のためには、短い単一パルス動作が必要とされる。１００ＭＨｚでの１ｎｓパルスの生成がこの目的に適している。連続波動作は、以下でさらに説明されるように、偏光較正のために１０秒までの期間、必要とされる。レーザ特性はうまく制御されるべきであるが、このことは従来の既製の構成要素で達成されることができる。これらの構成要素は温度センサおよびペルチェ（Ｐｅｌｔｉｅｒ）冷却器を含む温度制御回路、レーザ波長モニタおよび安定器（ウェーブロッカ（ｗａｖｅｌｏｃｋｅｒ））、ならびにレーザ出力モニタを含むことができる。レーザ７１が少なくとも２つの異なる強度レベルでパルス化されることができることが望ましい。このことで、（Ｗ．−Ｙ．Ｈｗａｎｇにより「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  Ｌｏｓｓ：Ｔｏｗａｒｄ  Ｇｌｏｂａｌ  Ｓｅｃｕｒｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９１、０５７９０１（２００３）で提案されたような）デコイ（ｄｅｃｏｙ）状態の使用が盗聴に対するさらなる保護を提供することができるようになるからある。
【００６５】
量子鍵ビットの経路は２つのビームスプリッタを通過し、第１のビームスプリッタは（以下で説明されるように）較正のためにバイパス経路７５を分離し、第２のビームスプリッタは、出力が第１の出力モニタ７８でモニタされることができるようにする。これが高出力で、高速応答で動作して、パルス波または連続波の強度を制御する（この機能は、デコイ状態が使用されるときに必要とされる）。次に、固定された減衰器７２により強度が大きく低減され、この減衰器７２は信号を非常に大きく低減するので、パルスあたりの出力光子の確率が、偏光コントローラおよび出力光学系の後で１．０未満に低減される。次に、減衰させられた信号は、各パルスに対するビットおよび基底のランダムな選択を表す偏光状態を提供するために、レーザ７１と同期して制御される偏光変調器７３の中に進む。この機能を有する偏光変調器は、内容が参照により本明細書に組み入れられる、「Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ」と題し、国際公開第２００８／０３２０４８号として公開された、出願人の先行特許出願で説明されている。次に、作り出された任意の光子が出力ビームスプリッタに進み、そこで別の出力モニタ７９が提供される（これは、信号が適切に減衰されたことをチェックするための低速応答時間平均検出器である）。出力ビームスプリッタを通過し光ファイバ出力７７を通って外に進む光子は、（光子が生成されたのと同じ基底で量子受信機により測定された場合に）最初の秘密鍵のビットを確立する可能性がある。
【００６６】
上記で示されたように、バイパス経路７５がある。バイパス経路７５は量子鍵ビット生成中に光シャッタ７４により閉じられるが、較正のために、特に偏光状態を補正するために使用される。アリスからボブへの光路、および特にアリスとボブの間の光ファイバの複屈折がアリスでの生成とボブでの受信の間の偏光状態に何らかの修正をもたらすので、偏光状態の補正が必要である。補正されない場合、この修正がボブの測定結果でエラーをもたらす。この修正はアリスの所で偏光状態を調節することにより補償されることができるが（上述の偏光変調器は任意の偏光状態を作り出すことができるため）、この修正は、アリスからボブへの経路上に導入された偏光修正の知識を必要とし、一光子から行うことが非常に困難である。必要とされる修正ははるかに大きな強度の信号――ブライトパルスとして知られる――を使用して、経路上の偏光修正が測定され、したがって、補償されることができるようにすることにより見つけられることができる。この手法の難点は、単一光子を生成し受信するように最適化された光構成要素が、典型的にははるかにより大きな量の光を生成し受信するのに適さないことである。従来技術の量子送信機および量子受信機では、平行信号の発生器および受信機が使用され、アリスおよびボブの単一光子構成要素は回路の外に切り換えられた。異なる構成要素の使用により新しいエラーが導入されることができるので、これは問題となる。
【００６７】
本明細書で示されるアリスユニットの設計は、異なる構成要素をアリスで使用することなく偏光補償を可能にする。レーザ７１は短いパルス波モードも連続波モードも可能なので、単一光子もブライトパルスも使用するのに適している。上記で示されるように、単一光子の使用はメインビーム経路の非常に高い減衰により達成される。単一光子の使用中、シャッタ７４はバイパス経路７５を（少なくとも１００ｄＢの減衰により）遮断する。偏光補償のために、シャッタ７４は開けられ、連続波モードが使用される。そのとき、メインビーム経路は非常に大きく減衰させられ、かつバイパス経路７５は減衰させられないので（典型的には、経路間に７０ｄＢの差があり得る）、メインビーム経路からの寄与が無視されることができる。次に、偏光変調器７３は、以下でさらに説明されるように、必要とされる補償を決定するために制御される。
【００６８】
図８は、図１の量子受信機１６として使用するのに適した量子受信機（ボブユニット）の一実施形態を示す。この実施形態には実用上、特に有利な点があり、特に、測定および偏光補正が同じ検出器を、すなわち各偏光状態に対して１つを使用して行われるのに適しているという特に有利な点がある。
【００６９】
光は、量子周波数以外の波長の任意の光を取り除くフィルタ８０（図５Ｂに示されるフィルタと同じタイプ）を通り量子受信機の中に進み、光ファイバ入力８１およびコリメーティングレンズ８２を通り、５０：５０ビームスプリッタ８３まで進む。このビームスプリッタ８３は測定基底のランダム選択の機能を実行する。これは、内容が参照により本明細書に組み入れられる、「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ  ａｎｄ  Ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ」と題し、国際公開第２００９／０９５６４４号として公開された、出願人の先行特許出願により詳細に説明されている。測定の一方の基底に対して、光子はビームスプリッタ８３を通過し、次に、偏光回転子８４を通り、（基底が正しい場合）光子を正しい光検出器８６ａ、８６ｂに導く偏光ビームスプリッタ８５ａの中に進む。基底が正しくない場合、光子は光検出器のランダム選択に導かれることができるが、これは、測定されるビットが共有秘密鍵の一部を形成しないので、重要ではない。測定の他方の基底に対して、光子はビームスプリッタ８３により反射されるが、次に来るビームスプリッタ８５ｂに対してすでに正しく向けられているので、この経路に偏光回転子は必要とされない。前述のように、測定の基底が正しい場合、光子は正しい光検出器８６ｃ、８６ｄに向けられる。
【００７０】
ボブでは適切な電気制御構造が必要とされる。当業者は、説明される構成要素を制御し、構成要素を適切な速度および必要とされる条件で駆動するために何が必要であるかを認識するであろう。特にアリスとボブの間の同期を提供するのに必要なクロック情報を含む必要な制御情報も古典的チャネル上で渡される。ボブをトリガするため、またはローカルクロックがボブのために抽出されることができるようにするために、タイミングパルスが使用される。単一ブロックの光子の開始および終了を示す信号がこれらと共に間隔を置いて配置される。適切なデジタルマーカが、どのパルスがどれであるかを識別するために使用される。同様に、較正で使用されるブライトパルスの開始および終了を信号化するための制御情報が使用される。タイミング信号および単一光子が、異なる経路長を有するので、ボブも単一光子をモニタして、タイミング信号と単一光子の間の固定した時間遅延を追跡する必要がある。ボブユニットに関連する１つの特有な特徴が、暗号鍵として扱われる情報をボブユニットが受信するということである。したがって、暗号鍵を安全に保管するのに適切な安全な記憶領域を含む、またはそれに関連付けられることが必要である（しかし、このことは、一部の環境で、ボブユニットの全体が安全であると信頼されることができる領域、たとえば信頼される当事者のサーバルーム内部に配置される場合、重要ではないことがある。しかし、サーバルームが、異なる末端顧客専用の構成要素を含む場合、一方の顧客に関連する構成要素が、別の顧客に関連する構成要素から隔離されることがあり、その結果、そのような構成要素間の鍵交換が必要とされることがある）。
【００７１】
アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）は、典型的には低い光レベル信号の検出のために使用される。これらのデバイスでは、高い逆バイアスおよび適切な内部設計が、１０ｄＢ以上の安定した利得を提供するために、小さな初期フォトダイオード電流がカスケード過程により内部的に増幅されるようにする。これはそれ自体では単一光子検出のために不十分である。検出器を提供する２つの代替手法が、測定された信号の十分なさらなる改善を提供する。
【００７２】
一方の手法が、単一光子がデバイスジャンクションの破壊を引き起こす特に高くバイアスをかけられたアバランシェフォトダイオードを使用することである。アバランシェフォトダイオードは単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）として知られている。アバランシェフォトダイオードは高価で高感度な構成要素である。アバランシェフォトダイオードは、検出から回復するためにバイアスをかけられない必要があり、アバランシェ過程は熱キャリアによりトリガされることができる。誤検出（暗電流）を低減するために、単一光子の期待される到着に対応する時間間隔内だけに高いバイアスがかけられる。これらのデバイスは単一光子検出に最適化されるので、やはり、偏光補償で使用されるようなかなり高い電流の検出に適しない。この目的ために別の検出器に切り換える必要があることがあり、複雑性、および新しいエラーの可能性を招く。
【００７３】
第２の手法が、従来のＡＰＤを使用するが、レーザパルスの長さ（したがって、光子が出現し得る時間の窓）に対応する１ｎｓ間にパルスバイアスを使用し、単一基底に対する検出器として適合した１対のＡＰＤを使用することである。スペクトル応答、低いダークカウント、および高効率のために選択された従来のＡＰＤが、適合した対で利用できるという前提で、この目的のために使用されることができる。この手法は、ＡＰＤ対からの信号が差動増幅器を通過させられることができるようにする。この配置が図９Ａに示され、ＡＰＤ９６ａおよび９６ｂが、信号を差動増幅器９８に提供する適合した１対を形成する。図９Ｂは、この配置で「１」、「０」、および検出なしによって生じる異なるトレースを示す。
【００７４】
この配置は有利な点をいくつか提供する。１つには費用である。適合した１対のＡＰＤが、現在１対のＳＰＡＤよりかなり安価であるためである。ＡＰＤはまた、典型的にはＳＰＡＤより耐久性がある。別の有利な点が、ＡＰＤはかなり高い光入力に、より耐性があることである。これは、この特性が検出器にいかなる変更もせず偏光補償のために必要とされる測定を達成するために使用されることができるので、有利である。これらのより高い光電流で、差動増幅器を使用して出力信号を提供することは必要ない。すべての４つのＡＰＤの出力は、それらの総受信出力を積分するために異なる回路により個々に測定される。これらの異なる出力測定結果は偏光測定のための基底を形成する。したがって、偏光補償測定は通常の構成要素の動作で実行される。このとき、ボブでの光路は単一光子動作とブライトパルス動作の間でまったく変えられないので、このことは非常に効果的な偏光補償が行われることができるようにする。
【００７５】
ここで、必要とされる偏光補償を確立する方法が説明される。この方法は、伝送が始まる前に実行されてもよい、またはアリスとボブの間のビットエラー率が受け入れることができないほど高いという決定によりトリガされてもよい。このとき、アリスもボブもブライトパルスモードに切り換えられる。レーザは連続波モードに切り換えられ、バイパス経路は開かれ、検出器は単一光子検出から、より低いバイアスをかけられた高い光電流モードに切り換えられる。偏光変調器は一方の基底に対して偏光状態の一方に設定され、ブライトパルスが送信され、受信された偏光状態（および必要とされる補正）を決定するために各光検出器で応答が測定される。この過程は各基底の各偏光状態に対して繰り返され、適切な補正が決定される。次に、補正が行われる。結果が受け入れることができることを保証するために、別のブライトパルスで結果がチェックされることができる。次に、アリスおよびボブは単一光子モードに戻されることができる。
【００７６】
従来のファイバネットワーク
図１の配置を典型的な光ネットワーキング環境で使用することができる配置に発展させるためには、さらなる展開が必要とされる。量子装置は従来の光ネットワーキング装置と比較して高価なので、量子構成要素をできるだけ多く再利用することが望ましい。しかし同様に、障害から保護するために冗長性を導入すること、およびネットワーキング故障を防止するために複数の可能な光路を導入することが望ましい。１つのスイッチの不適切な設定が接続を完全にブロックすることがあるので、ネットワーキング故障は１対１の直接接続――たとえば量子ＱＫＤチャネル――に依存する回線交換配置にとって特に危険である。本発明の態様では、古典的チャネルは、中間ノードで切り換える制御を提供することによりこれらの問題に対処するために使用される。
【００７７】
図１０は、より複雑なＱＫＤネットワークを一般的関係で示し、以下でより詳細に説明されるいくつかの構成要素を導入する。鍵管理センタ１０１がシステムの中心となり、マスタキーを保持し、システム内のその他のＱＫＤ要素に対して制御を行う。鍵をいくつかの中間ノード１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、および１０４ｄを介していくつかのエンドポイント１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、および１０５ｄに伝送するために光ネットワークが使用される。これらの中間ノードは、量子ＱＫＤ通信も古典的ＱＫＤ通信も鍵管理センタ１０１とエンドポイント１０５の間を通ることができるようにする。中間ノード１０４とエンドポイント１０５をリンクする公衆ＷＤＭネットワーク１０７が示されている。このネットワーク上で、データおよびＱＫＤ信号がすべて一緒に運ばれるが、ＱＫＤ信号が処理される前にデータは分割される。ここで、これらの別個のシステム要素が説明される。第一に、中間ノードの構造および利用できる代替設計、第２に、鍵管理センタ１０１、およびシステムの全体管理、第３に、エンドポイントの一般的構造、および特定のエンドポイント機能への適合の一般的構造である。示される例では、示される光ネットワークのタイプは従来の光ファイバネットワークである。しかし、本明細書で説明される原理は、本発明の態様の実施形態を別の形の光ネットワークで作り出すために展開されることができることが当業者により理解されるであろう。受動光ネットワークへの適用が以下でさらに説明される。
【００７８】
ここで、中間ノード１０４を含むネットワーク１０７でのデータの取扱いが図１１Ａ、図１１Ｂ、および図１２を参照して説明される。
【００７９】
ネットワークは、３つの異なるタイプのトラフィックを、すなわち量子ＱＫＤ信号、古典的ＱＫＤ信号、および通常のネットワークトラフィックを取り扱う。図１０の中間ノード１０４はＱＫＤトラフィックを取り扱うが、データトラフィック（通常のネットワークトラフィック）を取り扱わない。この通常のネットワークトラフィックは、光ネットワークタイプに適合した任意の標準のネットワーキング方法およびプロトコルに従ってルーティングされることができる。古典的ＱＫＤ信号は、通常のネットワークトラフィックに対するようにデータをパケットの形で伝送するが、中間ノードにより取り扱われる必要がある。これにはいくつかの理由がある。１つには、古典的ＱＫＤ信号は、ＱＫＤ信号の適切なルーティングを達成するために中間ノードの構成を決定することができる情報を含むことである。この目的のために、古典的ＱＫＤ信号は処理され、新しい古典的ＱＫＤ信号が各中間ノードで生成される。もう１つには、ＱＫＤ信号に適合するルーティングがネットワークトラフィックに適合しないことがあり得ることである。量子ＱＫＤ信号は、パケット交換されるのではなく回線交換され、外乱に対する量子ＱＫＤ信号の感度を考慮すれば、この信号はできるだけ少ししか乱されないことが望ましい。この信号はまた従来の増幅を受けないので、鍵管理センタとエンドポイントの間の経路長が長すぎる場合、有効な鍵をエンドポイントに配送することを保証する代替手法が必要とされる。
【００８０】
図１１Ａおよび図１１Ｂは、例示的中間ノード１１４を示し、例示的中間ノード１１４の周囲のネットワーク要素がデータトラフィックをＱＫＤトラフィックから取り除くことを伴う。ＷＤＭトラフィック――λｄａｔａ（データがいくつかのＷＤＭチャネル上で伝送される場合、ある範囲の波長を含むことができる）でのデータトラフィック、λＣでの古典的ＱＫＤトラフィック、およびλＱでの量子ＱＫＤトラフィックを含む――が入力ポート１１１で受信される。これは、図１１Ｂに示されるタイプのフィルタである第１のデータ光アドドロップマルチプレクサ１１２の中に進む。このフィルタはＱＫＤトラフィック波長でトラフィックを通過するが、λｄａｔａで信号を反射する。したがって、データトラフィックは光データネットワーキングノード１１３の中に分岐される。光データネットワーキングノード１１３はあらゆる点で、ネットワーク上でデータを伝送するために使用される光ネットワーキングプロトコルに対して従来のネットワーキングノードであってもよい。このノード１１３は従来型であり、本発明の要件により制約されないので、本明細書でさらなる説明を必要としない。ＱＫＤ信号は中間量子ノード１１４の中に進み、以下に説明されるように中間量子ノードの役割に応じて処理される。量子ノード１１４から生じるＱＫＤ信号、および従来のネットワーキングノードから出力されるデータトラフィックはすべて第２の光アドドロップマルチプレクサ１１５で受信され、この場合もフィルタが図１１Ｂに示される特性を有する。前述のように、このフィルタは、ＱＫＤ信号がそのまま通過するが、データ信号が反射されるように配置される。次に、組み立てられたＷＤＭ信号が出力ポート１１６を通り外に送信される。
【００８１】
この配置は――データトラフィックが中間量子ノードの前で取り除かれ、次に、後で戻して加えられる――後で例が示されるファイバリングに適合する。別のネットワーク配置では、分離は異なる段階で行われてもよく、第１のマルチプレクサ１１２、または特定の中間ノード１１４に関連する第２のマルチプレクサ１１５を有する必要がないことがある。たとえばスター状ネットワークでは、データは第１の中間量子ノードの前でＱＫＤトラフィックから取り除かれ、ネットワークの葉ノード（ｌｅａｆ  ｎｏｄｅ）の直前で戻して加えられることができる。中間ノードの具体的な実施形態が、ＱＫＤ伝送だけに関係させられ、ネットワークトラフィックに関係させられなくてもよいことが認識されるであろう。そのようなことがデータセンタ内部で言えるのは、たとえば、中間ノードが鍵管理センタと主要な光データネットワークとのインタフェースとの間の効果的ルーティングに必要とされる場合である。これらの場合、図１１のデータトラフィック分岐機能が中間量子ノード１１４の近傍で必要とされない。
【００８２】
図１２は、量子ノードたとえば図１１の量子ノード１１４に対する基本構造を示す。図１２の配置は、複数の量子ノードが１つの中間ノードの中にどのように組み入れられることができるかを示すという点でいくらか一般化されている。図１２の場合、２×２配置が示されている。これは、鍵管理センタからエンドポイントまでのトラフィック、およびエンドポイントから鍵管理センタまでのトラフィックに対して、別個の通信経路が使用される場合に適切であり得る。この第１の経路タイプは量子ＱＫＤ信号を通す必要があるが、この第２の経路タイプはそうする必要がない場合があることに留意されたい。
【００８３】
量子ノード１２１の入力および出力には光スイッチ１２１および１２９がある。これらは、量子ノードを通るＱＫＤ信号の経路を制御し、光切換制御１２３の制御の下で動作する。この光切換制御１２３は電気スイッチ１２４および関連する論理の制御の下で動作する。量子ノード内部に含まれているのが２つのＱＫＤネットワーキングカード１２５および１２６である。これは例示でしかない。量子ノードはネットワーク技術全体に見合ったより多くのカードを有することがある。これらのカードは３つの異なるタイプに属することができる。３つのタイプはいずれも以下で説明される。これらのカードはそれぞれ、一方が光スイッチ１２１、１２９のそれぞれと通信状態にある２つの光入力／出力ポート１２７ａ、１２７ｂを有し、同様に、電気スイッチ１２４と通信状態にある電気入力／出力ポートを有する。動作の一般原理は、ＱＫＤ制御情報およびＱＫＤネットワーキング情報が、古典的ＱＫＤチャネル上で（ＢＢ８４などのプロトコルにより古典的チャネルの必要とされるＱＫＤ接続を確立するための別の信号と一緒に）運ばれることである。この情報は、ＱＫＤネットワーキングカードで古典的ＱＫＤチャネルから抽出され、関連する制御情報が電気スイッチ１２４に提供される。次に、電気スイッチ１２４およびそれに関連する論理は、光スイッチ１２１、１２９の適切な構成を提供することを含み、必要に応じて量子ノードを制御する。
【００８４】
この配置は、中間ノードを通る代替経路が選択されることができるようにすることが理解されることができる。たとえば、４×４ノードでは、２×２ノードよりもかなり多くの組合せが利用できる。したがって、この配置は、たとえばＱＫＤ信号の再ルーティングがネットワーク障害を避けることができるようにする。すでに示されたように、そうでなければこれは回線交換チャネルたとえば量子ＱＫＤチャネルにとって大きな問題である。中間ノードの光スイッチを再構成することにより量子ＱＫＤチャネルの経路を変えるために古典的ＱＫＤ信号を使用することは、経路遮断の問題に対処するのに特に重要である。
【００８５】
ここで、３つの異なるタイプのＱＫＤネットワーキングカードが、図１３、図１４、および図１５を参照して以下で説明される。
【００８６】
図１３は、第１のタイプのＱＫＤネットワーキングカードを示す。量子グラススルーカード（ｇｌａｓｓ−ｔｈｒｏｕｇｈ  ｃａｒｄ）１３０と呼ばれるこのカードでは、量子ＱＫＤ信号はいかなる処理もなしに、または他の外乱なしに通過するが、古典的ＱＫＤ信号はノードで処理され、新しい古典的ＱＫＤ信号が生成される。量子ＱＫＤ信号および古典的ＱＫＤ信号は第１の量子ノードのアドドロップマルチプレクサ１３１で分離される。これはλＱに対する帯域フィルタであり、量子ＱＫＤ信号はマルチプレクサをそのまま通過し、古典的ＱＫＤ信号は（図６Ａで示されるタイプの）マルチプレクサから反射される。量子ＱＫＤ信号はノードをそのまま通過し第２の量子ノードのアドドロップマルチプレクサ１３２の中に進む。この場合も、これはλＱに対する帯域フィルタであり、量子ＱＫＤ信号はそのまま通過する。したがって、量子ＱＫＤ信号は量子グラススルーカード１３０通過によりほとんど乱されない。
【００８７】
対照的に、古典的ＱＫＤ信号はノードで処理される。受信された古典的ＱＫＤ信号は、古典的トラフィックノード１３３の第１の光トランスポンダ１３４で受信され、電気信号が電気ノード１３５で生じる。この電気ノードは量子ノード１２０の電気スイッチ１２４と通信状態にある。次に、古典的ＱＫＤ信号内の情報がＱＫＤ信号の適切なルーティングを保証するために、量子ノード１２０の光切換を作用するために使用される。古典的ＱＫＤ信号は、ＢＢ８４が必要とする古典的チャネルの情報に加えて、またはどのような量子鍵配送プロトコルが使用されても、ＱＫＤ信号に関係のあるすべてのネットワーキング情報（たとえば、特にＱＫＤ信号のためのネットワーク管理トラフィック）を含むことができる。新しい古典的ＱＫＤ信号が量子ノード１２０で提供されることができる。電気ノード１３５は、（タイミングおよび同期の信号などの）受信された信号を電気的再生により第２の光トランスポンダ１３６に直接伝える、あるいは第１の光トランスポンダ１３４からまたは外部の電気スイッチ１２４からトラフィックを伝えるためのトラフィックスイッチの役割を果たし、その結果、古典的トラフィックノード１３３の伝送のための信号を第２の光トランスポンダ１３６により提供する。出力古典的ＱＫＤ信号は第２の量子ノードのアドドロップマルチプレクサ１３２で量子ＱＫＤ信号と結合し、結合されたＱＫＤ信号はカードを通り外へ進む。
【００８８】
量子ＱＫＤチャネルは片方向であるが、古典的ＱＫＤチャネルは一般に片方向ではないことに留意されたい。古典的伝送は各方向で必要とされる。したがって、古典的ＱＫＤチャネルは双方向であってもよく、適切なプロトコルによりトラフィックが共有される（共有は時分割多重化とすることができる、または間隔が接近した２つのチャネルが各方向での移動用に使用されることができ、その場合、古典的トラフィックノード１３３の前後に別の波長の逆多重化および多重化が必要とされる）。
【００８９】
受け入れることができないレベルのエラーなしに量子ＱＫＤ信号が次のノードに伝えられない場合、量子グラススルーカードの代替が必要とされる。従来の増幅技術（エルビウム添加ファイバ増幅器の使用など）は特定の偏光状態にある単一光子からなる信号に対して明らかに機能しない。図１４は、量子ＱＫＤ信号の「再生」が必要とされるときに使用される代替のカードタイプを示す。この「Ｂｏｂｉｃｅ」カード１４０は、グラススルー経路ではなく中間量子ノード１４１を含む。Ｂｏｂｉｃｅカード１４０の古典的ノード１３３は、量子グラススルーカード１３０のタイプと同じタイプに属し、量子ＱＫＤ信号および古典的ＱＫＤ信号は前述のように分割され、再度組み立てられる。以下でさらに説明される理由のために、量子ノードで追加処理が必要とされることに留意されたい。
【００９０】
中間量子ノード１４１は、ボブユニット１４２、アリスユニット１４４、中間量子ノード１４１の上流と下流の両方の鍵の合意を可能にする鍵合意論理１４３、ならびに中間量子ノード１４１と対話する任意の当事者により中間量子ノード１４１である程度の信頼度で識別されることができる識別を中間量子ノード１４１に提供する暗号トークン１４５を含む。中間量子ノード１４１は、ノードとの物理的または論理的な介入を防ぐために改ざん防止（ｔａｍｐｅｒｐｒｏｏｆ）境界１４６内部に含まれる（中間量子ノード１４１は鍵および識別情報を含むため）。必要とされるセキュリティのレベルに従ってどの技術がそのような改ざん防止境界で使用するのに適合しているかを当業者は認識するであろう。改ざん防止で使用される技術は、たとえばＡｎｄｅｒｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ、「Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｉｃ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ−ａ  ｓｕｒｖｅｙ」、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  ＵＣＡＭ−ＣＬ−ＴＲ−６４１で概説されている。量子ＱＫＤ信号の古典的再生が可能ではないので、中間量子ノード１４１は代わりに発信元のアリスと第１の鍵を合意し――量子ＱＫＤ信号がこの地点で終端することができるようにする――次のボブと第２の鍵を合意する。この過程は、それ以外の方法では量子ＱＫＤ信号にとって受け入れることができないエラーなしに存続するには長すぎるので、光路上で量子ＱＫＤ通信を可能にする。
【００９１】
中間量子ノードによる上流および下流の鍵の合意のための過程は、「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ」と題し、国際公開第２００９／０９３０３６号として公開された、本出願者の先行特許出願の主題である。基本動作原理は本明細書で説明されるが、当業者はさらなる実現の詳細についてこの先行出願（法律により許される範囲まで参照により本明細書に組み入れられる）を参考にするであろう。基本動作原理は、元のアリスユニット、および中間量子ノード１４１のボブユニット１４２はそれらの間で鍵を合意することができ、次に、中間量子ノード１４１のアリスユニット１４４は新しい鍵を下流のボブと合意することができるということである。しかし、この新しい鍵は少なくともある種の様態では中間量子ノード１４１自体によってではなく元のアリスにより決定される。下流のボブは、元のアリスおよび中間量子ノード１４１の合成により形成されるアリスと鍵を合意していると考えられることができる。
【００９２】
Ｂｏｂｉｃｅカードは、通信経路が長すぎる信号の再生の代替量子ＱＫＤを提供する以外の状況で使用されることができる。「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  Ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ  Ｍｏｖｅａｂｌｅ  Ｋｅｙ  Ｄｅｖｉｃｅ」と題し、２００９年５月１５日に提出された、本出願者の先行国際特許出願である英国特許出願公開第２００９／００１２２６号明細書（その開示は、関連する法律により許される最大限まで参照により本明細書に組み入れられる）が、第１のネットワークから、第１のネットワークから物理的に遠く離れた第２のネットワークまで移動させられるように適合される量子受信機および量子送信機を備えるＢｏｂｉｃｅ要素を説明している。この要素は、１つの量子ＱＫＤチャネルまたは一連の量子ＱＫＤチャネルにより直接リンクされない互いに物理的に遠く離れたノード間でＱＫＤ合意が行われることができるようにする。Ｂｏｂｉｃｅカード１４０、またはそのようなＢｏｂｉｃｅカードを含む中間ノードが、この機能を達成するために使用されることができる。
【００９３】
第３のカードタイプが図１５に示されている。この古典的カード１５０は、量子ＱＫＤ信号を伴わない古典的ＱＫＤ信号だけを運ぶように適合される。したがって、古典的カード１５０は、図１３および図１４に示されるような古典的ノード１３３だけを必要とし、マルチプレクサまたはどんな量子ＱＫＤ経路も必要としない。この古典的カード１５０は個々のノードの簡略化、および戻り経路での適切な信号取扱の簡略化で有利な点がいくつかある。
【００９４】
実際には、古典的カード１５０は、ＱＫＤによる鍵合意がもはや必要とされないとき――たとえば、ＱＫＤ合意がネットワークの最初のセットアップで使用されたが、その後の鍵合意が（必要とされるとき）従来の暗号手段による場合、量子グラススルーカード１３０またはＢｏｂｉｃｅカード１４０を置換するために使用されることができる。古典的カード１５０は、具体的にはＢｏｂｉｃｅカード１４０よりかなり安価なので、この手法はネットワークおよびネットワーク管理の全費用を最小にするのに有用なことがある。
【００９５】
図１６は、鍵管理センタからエンドポイントに向けてのＱＫＤによる鍵配送に備えるＢｏｂｉｃｅカード１６１、および古典的カード１６２を備える例示的量子ノード１６０を示す。図１７は、今回はＱＫＤによる鍵配送のための量子グラススルーカード１７１、および古典的カード１７２を備える別の例示的量子ノード１７０を示す。２つの例示的ノード１６０および１７０は機能的に類似するが、受け入れることができないエラーなしにノードで受信される量子ＱＫＤ信号が次の１組の想定されるノードまで通過することができるか（この場合、量子グラススルーカードが使用される）、そうではないか（この場合、再生Ｂｏｂｉｃｅカードが使用される）という点だけが異なる。
【００９６】
このとき、従来の方法で古典的信号を増幅することが、量子ＱＫＤ信号に対して可能でなくても、実際に可能であることに留意されたい。図１８は別のノードタイプを示す。このノードはＢｏｂｉｃｅ中継器１８０であり、そこでは、量子ＱＫＤ信号が上記で説明された手法を使用して増強されるが、さらに、データがエルビウム添加ファイバ増幅器（ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ  ｆｉｂｒｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、ＥＤＦＡ）１８８を使用して増幅される。上記で示される中間ノードと対照的に、このノードはＱＫＤ信号だけでなくデータ信号も取り扱い、データ信号は図１１Ａに示される方法で第１および第２のマルチプレクサにより分割される。古典的ＱＫＤ信号は任意の中間ノードで新しく生成されるので、増幅される必要がない。第１および第２のマルチプレクサ１８１、１８９はデータトラフィックを分割し、次に、上記で説明されるようにＱＫＤトラフィックがＢｏｂｉｃｅカード１６１の中に進む。データトラフィックはＥＤＦＡ１８８により従来の方法で増幅される。このノードタイプはネットワーク内の次のノード（または想定されるノード）への長いホップの前に使用されるのに特に適していることがある。この量子中継器設計ではＱＫＤトラフィックに対して切り換えが必要とされないが、データトラフィックがまるで増幅を必要とするかのように、量子ノードがＢｏｂｉｃｅカード１６１であることが理にかなっていると留意されることができ、量子トラフィックが再生を必要とすることが期待されることができる。
【００９７】
図１９は、鍵管理センタ（ｋｅｙ  ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  ｃｅｎｔｒｅ、ＫＭＣ）１９０を示す。ＫＭＣは鍵配送システムの中心ユニットであるが、以下で説明される実施形態の中には、複数のピアＫＭＣを使用するものがある。複数のピアＫＭＣは、システム故障に対する防御として冗長性を提供するためにシステム全体の容量により必要とされない場合でさえ望ましいことがある。図１９の鍵管理センタ１９０は、ピアＫＭＣとの通信で使用するためのチャネルを提供される。そのようなチャネルは、ピアＫＭＣが使用されない場合、存在する必要がない。
【００９８】
鍵管理センタ１９０は、鍵管理およびネットワーク管理の機能を行う中央処理ユニット１９１を含む（この中央処理ユニット１９１に関連して、安全な記憶装置も存在し、これは図１９に明示的に示されていない）。ＫＭＣ１９０はまた、ＫＭＣに対して１つまたは複数の識別を提供するセキュリティトークン１９２を有する。ＫＭＣ１９０は、鍵生成合意論理１９４ａを備えるマスタアリスユニット１９３ａを有する。マスタ鍵またはドメイン鍵がＣＰＵ１９１により生成され、ＣＰＵ１９１はまた、アリスユニット１９３ａによる伝送のために、鍵合意論理１９４ａにより生成される乱数シーケンスのためのシード（ｓｅｅｄ）を提供し、その結果、量子鍵配送はドメイン鍵をエンドポイントに配送するために使用されることができる。古典的ＱＫＤチャネルに対する信号は、古典的ＱＫＤ信号を提供する光トランスポンダ１９６ａに送り込まれる電気スイッチ１９５ａにより提供される。各カードに対する電気スイッチ１９５ａが、ＣＰＵ１９１に接続される鍵管理センタ１９０に対するマスタ電気スイッチ１９５Ｎに接続する。本来、安全性がより低いが、一部の実施形態では、外部制御を可能にするために、マスタ電気スイッチ１９５Ｎへの外部接続が提供されることがある。これは、鍵管理センタ１９０自体が、十分安全であると考えられる設備の内部に配置される場合、適切であり得る。量子ＱＫＤ信号および古典的ＱＫＤ信号はマルチプレクサ１９７ａで結合され、中間量子ノードに送出される。前述のように、これは量子ＱＫＤ信号に対して片方向伝送であるが、古典的ＱＫＤ信号は光トランスポンダ１９６ａにより受信され、鍵合意に関係がある古典的ＱＫＤ信号からの情報が鍵生成合意論理１９４ａに戻され、ネットワークおよび鍵の管理に関する情報が中央処理ユニット１９１に戻される。アリスユニットまたはボブユニットを含むシステム要素について一般に言えることであるが、改ざん防止境界１９８がマスタアリスニット１９３ａの周りに提供される。鍵および識別に関係のある情報が、一般にＫＭＣ１９０内部で入手できるので、ＫＭＣ１９０が安全な位置にあること、または改ざん防止境界１９９がＫＭＣ１９０自体の周りに提供されることが望ましい。
【００９９】
セキュリティを強化するために、アリスカードまたはボブカードは、ＱＫＤ機器間の古典的トラフィックを暗号化するオンボードの暗号ユニットを含む。この暗号ユニットは、盗聴者が鍵交換／セットアップの過程に関するどのような情報も容易に得ることができないようにＢＢ８４プロトコルメッセージに影響を及ぼす（しかし、タイミングおよび同期の信号には影響を及ぼさない）。同様に、暗号ユニットはまた、ＮＭＳメッセージに機密性の高い性質があり得る場合に、ＮＭＳメッセージを暗号化するために使用されることができる。
【０１００】
ここで、暗号ユニットと別のシステム要素との間のＱＫＤ機器内部の相互関係が、アリスユニット、ボブユニット、およびＢｏｂｉｃｅカードをそれぞれ概略的に示す図３７Ａ、図３７Ｂ、および図３７Ｃを参照してより詳細に説明される。
【０１０１】
すでに示されたように、アリスユニットは量子送信機３７１および古典的トランシーバ３７７を含む。量子送信機３７１は、すでに説明されたように単一光子をパルスパターンで送信する（個々のパルスは、必ずしも光子の送信を表すのではなく、非ゼロ確率の光子送信イベントを有する）。量子送信機３７１は、すでに説明されたように偏光較正のために適合され、自分自身の内部クロックを得ることができる。タイミング信号および別の制御情報が電気スイッチ３７５を通して受信される。鍵合意論理３７３が量子送信機のためのすべてのＱＫＤ機能を、特に、下流のボブユニットへの鍵関連情報の配送、および鍵の合意を調整する。鍵合意論理３７３は、アリスユニットに対する要素マネージャ３７４と対話する。要素マネージャはアリスユニットの要素をモニタし、古典的チャネル上で送信されるＮＭＳメッセージを提供する。これらのメッセージは、鍵同意論理３７３から要素マネージャ３７４により受信されるＫＭＳメッセージを含んでも、それに応答してもよい。要素マネージャ３７４は、どのような鍵がメッセージ受信者への伝送に適しているとして合意されても、暗号化のためにメッセージを暗号ユニット３７６に渡す。暗号ユニット３７６はメッセージを適切に暗号化し、それを古典的トランシーバ３７７を通して伝送するために電気スイッチ３７５に伝え、古典的チャネルに伝える。電気スイッチ３７５は入力方向でも出力方向でもメッセージを取り扱うように適合される。暗号化されたメッセージはまた、古典的トランシーバ３７７を通して受信され、復号のために暗号ユニット３７６に送信される。次に、これらは要素マネージャ３７４により解釈され、実行されることができる。
【０１０２】
図３７Ｂから理解されることができるように、ボブユニットの機能配置はアリスユニットの機能配置を反映する。量子受信機３７２が、量子チャネルを通して単一光子を、および電気スイッチ３７５を通して古典的チャネルを用いてタイミング情報を受信する。標準的な既製の構成要素がこれらのタイミング信号からクロックを抽出するために使用されることができ、これらのタイミング信号間で決定される時間遅延を使用して、アリスおよびボブは同期をとられることができる。鍵合意論理３７３が、鍵をアリスと合意する際にボブの役割を引き受け、アリスユニットに対するようにＫＭＳおよびモニタリングの情報を要素マネージャ３７４に提供する。要素マネージャ３７４、暗号ユニット３７６、および古典的トランシーバ３７７すべてが、上記で説明されるアリスユニットに対するのと同じ方法で電気スイッチ３７５とおよび互いに直接または間接的に対話する。
【０１０３】
Ｂｏｂｉｃｅカードの機能配置は、図３７Ｃから理解されることができるように、アリスユニットおよびボブユニットの機能配置の合成である。量子受信機３７２および量子送信機３７１の機能は正確に、それぞれボブユニットおよびアリスユニットに対して上記で説明されたようなものである。Ｂｏｂｉｃｅカードには２つの古典的トランシーバ３７７、３７８がある。第１の古典的トランシーバ３７７はマルチプレクサを量子受信機３７２と共用し、第２の古典的トランシーバ３７８はマルチプレクサを量子送信機３７１と共用する。アリスユニットにもボブユニットにも存在するその他の要素――電気スイッチ３７５、鍵合意論理３７３、要素マネージャ３７４、および暗号ユニット３７６――はまた、Ｂｏｂｉｃｅカードでも見いだされるが、各要素の１つのインスタンスだけが必要とされる。したがって、鍵合意論理３７３は量子受信機３７２と量子送信機３７１の両方に対する鍵合意を取り扱い、暗号ユニット３７６はいずれの方向でも古典的チャネル上で送信および受信されるメッセージの暗号化および復号を取り扱い、要素マネージャ３７４はＢｏｂｉｃｅカードのすべての要素をモニタし、両方向での伝送のためのＮＭＳメッセージを提供する。
【０１０４】
マスタアリスユニット１９３ａに加えて、ピアリングアリスユニット１９３ｂおよびピアリングボブユニット１９３ｃも示されている。これらは、冗長性を提供するため、またはシステム全体の容量を増大させるために、ＫＭＣ１９０が鍵を１つまたは複数の別のＫＭＣと交換するための手段を提供する。ピアリングアリスユニット１９３ｂは別のＫＭＣとの安全な通信のための鍵生成を提供し、一方でピアリングボブユニット１９３ｃは同じ目的のために鍵の受信および記憶を提供する。この配置は、接続されたＫＭＣ間の相互認証を可能にする。
【０１０５】
これらのアリスユニットおよびボブユニットはプラグインカードとして提供されることができるので、ＫＭＣ１９０の機能はシステムの必要性に従って変えられることができる。別のＫＭＣとのピアリングが必要とされない場合、ＫＭＣにピアリングチャネル（したがって、ボブユニット）が必要ないことがある。システムに適合する場合、中間量子ノードへの複数のチャネル、または複数のピアリングチャネルもあってよい。
【０１０６】
ここで、中央処理ユニット１９１により実行される機能がより詳細に説明される。これらの機能は、本質的には鍵が配送されるシステム全体の鍵管理に関し、より一般的には鍵が配送されるシステム全体のセキュリティ管理に関する。これはまたＱＫＤチャネルのネットワーク管理を伴うことがある。ＱＫＤチャネルはデータトラフィックと無関係に中間量子ノードでルーティング可能であるので、ＱＫＤチャネルは光ネットワーク全体内部で自分自身の論理サブネットワークを形成し、この論理サブネットワークはそれ自身のネットワーク管理システムを必要とする。
【０１０７】
ＫＭＣ１９０は１つまたは複数のセキュリティドメインを管理することができる。各セキュリティドメインに対して、ＫＭＣ１９０はマスタセキュリティドメイン鍵を保持する（および大部分の実装では生成する）だけでなく、各セキュリティドメインの態様を管理する。ＫＭＣ１９０は鍵管理システムを実現する。これの特徴は、ドメイン鍵更新をスケジュールすること、ドメイン鍵を暗号化するための転送鍵をボブ機器と取り決めること、各セキュリティドメインに対する鍵イベントのレコードを記録し管理することを含むことができる。したがって、ＫＭＣ１９０は鍵管理システムメッセージを生成し、受信し、解釈する必要があり、さらに、管理者が鍵管理システムを適切に構成することができるようにするために、鍵管理システムのためのオペレータインタフェースを有するべきである（これは、たとえば、信頼できるＰＣを端末として使用することによることもある。そのようなＰＣは少なくともＫＭＣ１９０により認証されるべきである）。ＫＭＣ１９０が知られているノードで直接または間接的に処理することを保証するために（および中間者攻撃を防ぐために）、ＫＭＣ１９０は、自分が制御すべきＱＫＤキットの各部分に対する認証鍵を保持すべきである。
【０１０８】
システム内の別のノードに提供するための鍵管理システムメッセージが、ＫＭＣ１９０内のアリスユニットおよびボブユニットに関連する古典的ＱＫＤチャネルに提供される。これらのメッセージは、古典的ＱＫＤチャネルに沿って転送されるべき別の情報、たとえばＢＢ８４などのプロトコルに従って鍵合意で必要とされる「古典的チャネル」情報と一緒にメッセージング構造全体の中に組み入れられる必要がある。したがって、古典的ＱＫＤチャネルは適切なネットワーキングプロトコルをサポートする必要があり、さらに、量子ノード（鍵管理センタ、鍵配送ラック、中間量子ノード、およびエンドポイント）により提供されるネットワーク、およびこのネットワーク上でのメッセージングを管理するためのネットワーク管理システム（ＮＭＳ）を必要とする。このＮＭＳはＫＭＣ１９０から実行されてもよいが、関連する情報の多くが鍵管理と分離可能なので、ＮＭＳはまた別個に実行されてもよい。しかし、セキュリティに該当するＮＭＳメッセージは、ネットワーク上で伝送されるセキュリティ関連ＮＭＳメッセージのソースとなるＫＭＣ１９０の中央処理ユニットにより受信されるべきである。
【０１０９】
ＮＭＳはパケットベースのメッセージングを使用して古典的ＱＫＤチャネル上で実行される。したがって、ＮＭＳパケットがあらゆる中間量子ノードで処理され、それに従って、必要とされる宛先にルーティングされる。ＮＭＳメッセージは、必要とされる場合、暗号化されてもよい（内容を隠すため、およびＮＭＳメッセージが、認証されたソースに由来することを確認するため）。上記で示されるように、セキュリティ関係メッセージ――たとえば、おそらくシステムを改ざんする試みを示唆する偏光指示――が鍵管理センタにルーティングされる。より一般的には、ＮＭＳは、ネットワーク要素の状態、ネットワーク上での実行状態およびトラフィックレベル、現在のネットワーク構成、ならびに警報に関して問い合わせる、または報告するために使用される。ＮＭＳはまた、ネットワーク要素を始動する、再構成する、シャットダウンする、追加する、または削除することができる。そのような特徴はＮＭＳの標準的特徴である。この場合、他と異なることは、ＮＭＳが光ＷＤＭネットワークの特定の波長で実行されている論理ネットワークと関係があるということだけである。
【０１１０】
上記で説明されたように、鍵構成要素の冗長性によりシステム全体のフォールトトレランス（ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ）を改善することが望ましい。そうでなければ、単一地点での障害がネットワークのすべてまたはかなりの部分を無力にすることがある。鍵管理センタの複製（これは、ローカルネットワークの別の部分の中に、すなわち場合によって別の建物の中に一緒にあってもよい）が上記で説明されたが、そのような冗長性はまた、別の要素（たとえばＫＭＳおよびＮＭＳの管理）に対して使用されることができる。中間量子ノードが、上記で説明されるカード以外にいくつかの追加カードのための容量を有することがある。異なるネットワークトポロジを達成するホットスワッピングも１つの選択肢となり得る。同様な手法が鍵管理センタ内部でとられてもよい。スイッチおよび制御も二重にされることができ、エンドポイントへの代替経路が、中間ノードの障害による隔離を防ぐために提供されることができる。冗長のそのような使用は、エンドポイントに非常に高い重要性があるわけではない場合、おそらくエンドポイント（完全な冗長性には、あらゆるエンドポイント機器に対する追加のＱＫＤ経路を必要とする）を除いてネットワーク全体で効果的に使用されることができる。
【０１１１】
ここで、ＱＫＤネットワークのさまざまなエンドポイント（葉ノード）が説明される。これらのエンドポイントはすべて、それぞれが鍵を直接または間接的に鍵管理センタと合意させる必要があるので、何らかの形のボブノードを必要とする。しかし、エンドポイントが異なると、それら全体の機能的役割に従って異なる。図２０から図２２はいずれもエンドポイントの例を提供する。それぞれが異なる機能を有し、それに従ってボブ機能を組み入れる。
【０１１２】
図２０はエンドユーザのエンドポイントの一例を、この場合、パーソナルコンピュータ２００に組み入れるためのデスクトップユニット２０１を提供する。デスクトップユニット２０１は光アドドロップマルチプレクサ２０２を含む。これは、デスクトップネットワーキングユニット２０３により処理するために別個に提供されるネットワークトラフィックを処理しない。エンドポイントの古典的ＱＫＤユニット２０４はマルチプレクサから古典的ＱＫＤ信号を受信し（前のアリスユニットに戻す伝送のために生成された古典的ＱＫＤ信号をマルチプレクサに提供する）、エンドポイントの量子ＱＫＤ受信機（ボブユニット）２０５および組み入れられた鍵合意論理と一緒に、１つまたは複数の鍵を前のアリスと（したがって、直接または間接的に鍵管理センタと）確立する。少なくとも１つの確立された鍵が、ネットワークトラフィックの暗号化および／または復号のために使用される。そのような鍵はデスクトップネットワーキングユニット２０３に提供され、デスクトップネットワーキングユニット２０３はそのような鍵を使用して、それに従ってネットワークトラフィックを復号する、または暗号化する。復号されたトラフィックはデスクトップＰＣ２００に渡され、デスクトップＰＣからの暗号化されるべきトラフィックは、デスクトップネットワーキングユニット２０３に渡される。改ざん防止境界２０６がボブユニットの周りに置かれる。しかし、実際には鍵関連情報へのアクセスを伴うデスクトップユニットの別の構成要素（たとえばデスクトップネットワーキングユニット２０３）のために、別の改ざん防止が望ましいことがある。そのような鍵は安全に保管されるべきであるためである。アドドロップマルチプレクサ２０２は、たとえば図５ｂに示され上記で説明される機能を使用して実現されることができる。デスクトップユニット２０１はまた、デスクトップユニット２０１が認証されることができるように、識別を提供するセキュリティトークン２０７を含む（典型的には、上記で説明されるように、一旦該当のＱＫＤプロトコルにより鍵が合意されると、暗号化されたデータトラフィックを最初に交換することによる）。
【０１１３】
ＱＫＤネットワークの鍵管理システムおよび／またはネットワーク管理システムを管理するために使用されるＰＣがこのタイプであってもよいことに留意されたい。メッセージは、必要に応じてＱＫＤネットワークを通して伝送するために標準的手段によりデータネットワーク上に戻されることができ、そのような管理者ＰＣに対する唯一の要件は、管理者ＰＣが、それから得られることができる情報の機密度に適合するのと同程度に安全であることである。しかし、管理者ＰＣがネットワーク障害により隔離される確率を低減するために、葉ノードではなく中間ノードに管理者ＰＣが配置されることが望ましいことがある。
【０１１４】
別のエンドポイントタイプが図２１に示されている。このエンドポイントは、該当するＱＫＤセキュリティドメインと別のネットワークの間のネットワークゲートウェイ２１０に関連するＱＫＤネットワークゲートウェイユニット２１１である。ＱＫＤネットワークゲートウェイユニット２１１の要素は、一般にデスクトップユニット２０１の要素と類似し、同様な番号をつけられ、同じ機能が実行される。データトラフィックの取扱いは、データトラフィックがＱＫＤネットワークゲートウェイユニット２１１の前で取り去られ、したがって、光アドドロップマルチプレクサ２１２をまったく通過しないという点でいくらか異なる。ネットワークトラフィックの暗号化および復号のための鍵は、暗号化または復号を必要とするネットワークトラフィックがボブユニット（改ざん防止エンクロージャの中に提供される）で直接処理されるように適合されるボブユニット内に保持される。これは、たとえば、内部トラフィックは暗号化されないが、内部ネットワークの外へ伝送する前に暗号化される配置で使用されることができる。
【０１１５】
別のエンドポイントについては、エンドポイントユニットに対して識別を提供するためのセキュリティトークン２１７が提供される。しかし、この場合、除去可能なセキュリティトークン２１７が使用され、一般にトークンは、信頼される当事者（ネットワーク管理者など）により保持される。このセキュリティトークン２１７は、上記で説明されるように、鍵がＱＫＤにより合意されたとき、エンドポイントユニットを認証するために使用される。セキュリティトークン２１７の除去は、ネットワークに対する効果的攻撃の可能性を低減する。これは、ネットワークゲートウェイ２１０および関連するＱＫＤユニットをＱＫＤシステムの別の構成要素より物理的に安全ではない位置に置くことが必要となり得るので、実際に重要となり得る。ネットワークトラフィックの通常の処理は別の認証を必要としないので、ネットワークトラフィックはセキュリティトークン２１７の除去により危険にさらされない。認証はアップグレードまたは保守のために必要とされる。これらの時点で認証が提供されない場合、該当する機能（望まれる場合、ネットワークゲートウェイ２１０の全機能）がシャットダウンされる。
【０１１６】
図２２は、データストア２２０と共に使用するためのＱＫＤデータ暗号化ユニット２２１を示す。このデータストア２２０は、暗号化されたトラフィックとしてＱＫＤネットワークで伝送された情報を暗号化されない形で保持するメモリである。機能上、ＱＫＤデータ暗号化ユニット２２１はＱＫＤネットワークゲートウェイユニット２１１と非常に類似する。データトラフィックはユニット外部で分離され、必要に応じて復号のためにボブユニットにだけ提供される。この場合も、除去可能なセキュリティトークン２１７が以前と同じ理由で、および以前と同じ帰結で使用される。データストア２０１は、より広域のデータネットワーク上で安全に伝送される情報を必要に応じて暗号化された形でまたは暗号化されない形で含む。一般に、データストア２２０が、安全な環境の中にあること、またはデータストア２２０内部に記憶される情報の機密度に応じた方法で保護されることが適切である。
【０１１７】
ネットワーク構築のこの手法は以下の例で示される。
【０１１８】
図２３は、拡張されたポイントツーポイント接続を提供する本発明の態様の一実施形態を示す。ネットワークセンタ２３１には、鍵管理システムおよびネットワーク管理システムのための鍵管理センタおよび管理がある（ＰＣ２３２が管理インタフェースとして提供される）。データは、別個のネットワーク上で、または（上記で説明されるように）量子ＱＫＤ信号および古典的ＱＫＤ信号と同じファイバ上で転送されることができる。ネットワークセンタ２３１とデスクトップユニット２３４の間の距離が、受け入れることができないレベルのエラーの導入なしに量子ＱＫＤ信号が移動するには長すぎるので、ネットワークセンタ２３１とエンドポイントのデスクトップユニット２３４との間の中継として中間ノード２３３が必要とされる。この中継機能は上記で説明される方法でＢｏｂｉｃｅカードを使って達成される。したがって、ドメイン鍵が、ネットワークセンタ２３１と、デスクトップＰＣ２３５用のデスクトップユニット２３４との間で共有されることができる。したがって、セキュリティドメインがそれらの間で形成されることができる。この場合も、トラフィックは同じファイバまたは別個のファイバを使用することができる（これは次の例にも適用され、便宜上、以下の説明では、明示的に別の方法で言及されない限り、データ信号および量子信号が同じファイバ上で伝送されると理解されたい）。この配置は簡単であるが、フォールトトレランスも冗長性もない。
【０１１９】
図２４は、外部データセンタに有用な簡単なネットワークを提供する本発明の態様の一実施形態を示す。この配置では、データトラフィックは安全な構内の外部だけで暗号化される。この場合、暗号化が行われるのは公衆ＷＤＭネットワーク２４１上にある間である。適切なエンドポイントで復号が行われることができる。公衆データストア２４３に取り付けられたデータ暗号ユニット２４２が例示的エンドポイントとして示されている。データトラフィックは中央オフィス２４０内部で暗号化されない。ボーダゲートウェイ２４４が出力トラフィックを暗号化し、入力トラフィックを復号する。ＱＫＤの用途としては、このボーダゲートウェイ２４４はエンドポイントである。中央オフィスは何らかの冗長性を提供される。２つの管理サイト２４５ａ、２４５ｂが提供され、それぞれ鍵管理センタおよび鍵管理システムおよびネットワーク管理システムの機能を有する。中央オフィス２４０内部のＱＫＤ構成要素間の接続が、内部量子ノード２４６により、この場合４×４量子ノードにより提供される。このような内部量子ノードの使用は、それ以外の場合に必要とされるＱＫＤ対応キット（ＱＫＤ−ｅｎａｂｌｅｄ  ｋｉｔ）の量を低減し、ネットワークのフォールトトレランスを増大させるためにＱＫＤ対応キット間にいくつかの経路を提供する。２つのデータストア２４３の使用は別の機能に対して冗長性を提供する。
【０１２０】
より複雑なネットワーク配置が、一般にファイバリングの導入によって利益を得る。図２５はファイバリングで使用するのに適した量子ノード配置を示す。入力データトラフィックがデータ光アドドロップマルチプレクサ２５１により取り去られ、光ファイバ伝送ギアを通過して、ボーダゲートウェイ暗号ユニット２５３に関連するネットワークゲートウェイ２５２に進む。ＱＫＤ信号はデータマルチプレクサ２５１を通過して中間量子ノード２５４の中に進む。古典的ＱＫＤ信号は中間量子ノード２５４において、グラススルーされた量子ＱＫＤ信号で処理される。中間量子ノード２５４から出現するＱＫＤ信号はボーダゲートウェイ暗号ユニット２５３に提供され、ボーダゲートウェイ暗号ユニット２５３はシステムエンドポイントの役割を果たし、ＱＫＤチャネルを通してドメイン鍵または任意の別の関連する暗号鍵を得る。次に、この鍵は、ローカルＬＡＮ２５５上に暗号化されずに提供されることができるデータトラフィックを復号するために使用される。ファイバリング上でＬＡＮから外に送信されるトラフィックがネットワークゲートウェイ２５２で受信され、そこで暗号化され、別のデータ光アドドロップマルチプレクサ２５６にファイバ伝送ギアを通して送信され、そこでファイバリング上で外へ伝送するために任意のＱＫＤトラフィックに挿入されることができる。
【０１２１】
図２６は、図２４のネットワークを拡張したこのファイバリング配置の使用を示す。示されるネットワークは例示的である。ネットワークには４つのノードがあり、そのうち２つが図２４に示されるタイプのデータセンタ２６１、２６２であり、その他の２つがユーザのエンドポイント２６３、２６４であり、いずれも図２４に示されるタイプの公衆データセンタである。２つのファイバリング２６５、２６６がフォールトトレランスのために提供される。一般に、各リングは各方向に１つのファイバを提供され、この場合、リングネットワークには合計で４つのファイバがある。このネットワークは明らかに実際に見られるよりもはるかに疎である。実際には、さらに多くのユーザのエンドポイントが提供される。
【０１２２】
図２７は図２６のネットワークの変形を示し、より広範囲にわたるフォールトトレランスがデータセンタに提供される。これは、ファイバリング上のノードに対する中間量子ノードにより提供される。この例では、１０ポートの中間量子ノード２７１ａ、２７１ｂがデータセンタ２６１、２６２のそれぞれに提供され、６ポートの中間量子ノード２７１ｃ、２７１ｄが各ユーザのエンドポイントに提供される。この中間量子ノードはシステム構成要素（たとえばサーバ２７２、ＲＡＩＤドライバ２７３のような記憶要素、ユーザＰＣ２７４、およびゲートウェイ暗号ユニット２７８、ならびにデータセンタＱＫＤおよび管理者要素については、たとえば鍵管理センタ２７５、ＫＭＳ管理者ＰＣ２７６、およびＮＭＳ管理者ＰＣ２７７）への複数の接続可能性を提供する。
【０１２３】
受動光ネットワーク（ＰＯＮ）
上記で示されるように、ここで、上記で示される原理の受動光ネットワークへの拡張が行われる。これらのネットワークでは、中間ネットワークが公衆用であり、複数のセキュリティドメインを有すことができるので、トラフィックが暗号化された形でネットワーク上を伝送される。したがって、データトラフィックは異なるネットワーク地点で量子トラフィックから分割され、データトラフィックを古典的ＱＫＤトラフィックおよび量子ＱＫＤトラフィックと多重化し、逆多重化する異なるマルチプレクサが使用される。
【０１２４】
図２８Ａおよび図２８Ｂは受動光ネットワークで使用される光アドドロップマルチプレクサを示す。指摘されるように、これらは一般に図５Ａおよび図５Ｂで示されるものに類似し、データトラフィック内に挿入する付加機能を有する。図２８Ａは、信号を量子チャネルから、たとえば量子送信機１１から受信し、信号を古典的信号と結合する送信機マルチプレクサ１４を示す。図２８Ｂは、古典的構成要素と量子構成要素の両方を含む信号を受信し、その信号から量子信号を分解して、量子チャネル構成要素たとえば量子受信機１６に提供する受信機マルチプレクサ１５を示す。
【０１２５】
図２８Ａは、データチャネル５３、古典的ＱＫＤチャネル５２、および量子ＱＫＤチャネル５１の３つすべての、単一光ファイバ上への多重化を示す。
【０１２６】
データチャネル５３および古典的ＱＫＤチャネル５２は第１の多重化フィルタ５４で結合される。これは、図２９Ｃに示されるように、古典的ＱＫＤチャネルに対してλＣの帯域フィルタの役割を果たす。古典的ＱＫＤチャネル５２内の光のすべてが第１の多重化フィルタを通過するが、データチャネル内の光はすべて第１の多重化フィルタで反射され、結合されたチャネルをもたらす。この結合されたチャネルは図２８Ａに示されるように低域フィルタ５５を通過し、量子ＱＫＤトラフィックと結合する。結合された古典的チャネルは第２の多重化フィルタ５６で量子ＱＫＤチャネルと連結される。図２９Ａに示されるように、このフィルタはλＱに対する帯域フィルタであり、λＣおよびλＰＯＮで光を反射するので、すべての３つのチャネルは出力ポート５７で出力として結合する。結合された古典的信号内の量子チャネル帯内にノイズが存在する場合であっても、このノイズは第２の多重化フィルタ５６により信号から取り除かれることに留意されたい。そのようなノイズはλＱにあるので、フィルタをそのまま通過し、古典的信号のように出力ポート５７に反射されることはない。
【０１２７】
図２８Ｂに示される配置は本質的に類似しているが、この場合、量子ＱＫＤチャネル６１は、合成古典的量子信号からマルチプレクサで取り除かれることになる。合成信号は入力ポート６０で受信される。第１の逆多重化フィルタ６４――第２の多重化フィルタ５６と同じ構成要素であってもよい、λＱに対する帯域フィルタ――は量子ＱＫＤチャネル６１が通過することができるようにするが、２つの古典的チャネルを反射する。量子ＱＫＤスペクトルをきれいにする必要がないので（この信号はすでに分岐されたため）、この合成信号は、ちょうど第１の多重化フィルタ５４と同様に、λＣの帯域フィルタである第２の逆多重化フィルタ５７に直接進む。古典的ＱＫＤチャネル６２はこのフィルタをそのまま通過するが、データチャネル６３はこのフィルタにより反射される。
【０１２８】
図３０は、より複雑なＱＫＤネットワークを一般的関係で示し、以下でより詳細に説明されるいくつかの構成要素を導入する。この場合も鍵管理センタ３０１がシステムの中心となり、マスタ鍵を保持し、システム内のその他のＱＫＤ要素に対して制御を行う。鍵は、いくつかのラインカード１０３を通して光ネットワーク上に鍵を提供する鍵配送ラック１０２を通して受動光ネットワーク上に配送される。光ネットワークは、いくつかの中間ノード１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、および１０４ｄを通していくつかのエンドポイント１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、および１０５ｄに鍵を伝送するために使用される。ここで、別個のシステム要素が説明され、この場合、これらの要素は従来の光ネットワークのために必要とされる要素と異なる。
【０１２９】
図３１は、エンドユーザのエンドポイントの一例を、この場合、パーソナルコンピュータ３１０に組み入れるためのデスクトップユニット３１１を提供する。デスクトップユニと３１１は、デスクトップネットワーキングユニット３１３により処理するためにネットワークトラフィックをまず分岐する光アドドロップマルチプレクサ３１２を含む。エンドポイントの古典的ＱＫＤユニット３１４は、マルチプレクサから古典的ＱＫＤ信号を受信し（生成された古典的ＱＫＤ信号を前のアリスユニットに戻して伝送するためにマルチプレクサに提供し）、エンドポイントの量子ＱＫＤ受信機（ボブユニット）３１５および組み入れられた鍵合意論理と一緒に、１つまたは複数の鍵を前のアリスと（したがって、直接または間接的に鍵管理センタと）確立する。少なくとも１つの確立された鍵がネットワークトラフィックの暗号化および／または復号のために使用される。デスクトップネットワーキングユニット３１３は、暗号化されたトラフィックをＱＫＤデスクトップユニット３１１内部のデータトラフィック暗号化ユニットに提供し、データトラフィック暗号化ユニットがトラフィックをＰＣ３１０に渡す。改ざん防止境界３１６がボブユニットの周りに置かれ、暗号鍵がこの境界を離れる必要が決してないことが上記の説明から理解されることができる。アドドロップマルチプレクサ３１２は、たとえば図２８５ｂに示され上記で説明される機能を使用して実現されることができる。デスクトップユニット３１１はまた、自分が認証されることができるように（典型的には、上記で説明されるように、一旦該当のＱＫＤプロトコルにより鍵が合意されると、暗号化されたデータトラフィックを最初に交換することによる）識別を提供するセキュリティトークン３１７を含む。
【０１３０】
ＱＫＤネットワークの鍵管理システムおよび／またはネットワーク管理システムを管理するために使用されるＰＣがこのタイプであってもよいことに留意されたい。メッセージは、必要に応じてＱＫＤネットワークを通して伝送するための標準的手段によりデータネットワーク上に戻されることができ、そのような管理者ＰＣに対する唯一の要件は、管理者ＰＣが、管理者ＰＣから得られることができる情報の機密度に適合するのと同程度に安全であることである。しかし、ネットワーク障害により隔離される確率を低減するために、管理者ＰＣが葉ノードではなく中間ノードに配置されることが望ましいことがある。
【０１３１】
図３０に戻って参照すると、中間量子ノード１０４は鍵管理センタ１０１と直接通信しないことに留意されたい。そのような配置では、ネットワークをサポートするメインサーバインフラストラクチャ内部に中間段階が必要とされる。図３０で示されるネットワークでは、これは鍵配送ラック１０２であり、信号をネットワーク上に提供するためのラインカード１０３をさらに含む。
【０１３２】
異なるネットワークタイプが本発明の実施形態で利用されることができるが、図３０ならびに図３２および図３３に示される配置は受動光ネットワークである。そのようなネットワークでは、光信号が、電力を供給されないスプリッタを通り中央ノードから外側に渡される（同様に結合される戻り光信号と共に）。必要とされる異なるネットワーク経路上での通信のために帯域幅が利用できることを保証するために、時分割多重化、または別の適切なチャネル共有技術が使用される。
【０１３３】
図３２は受動光ネットワークのための鍵配送ラック３２０を示す。量子ＱＫＤ信号および古典的ＱＫＤ信号が、電気切換コントローラ３２３により電気バックプレーンとインタフェースをとる光切換コントローラ３２２の制御の下で第１の光スイッチ３２１を通して鍵管理センタから受信される。鍵配送ラック３２０は、古典的ノードおよびＢｏｂｉｃｅ中間量子ノードの機能を再現するが、分散方式でそのように行い、古典的ＱＫＤ信号が、量子ＱＫＤ機能を有するカードではなく、信号が受動光ネットワーク上に送出されるように提供されるラインカード３２５で提供される。この分離は、量子ＱＫＤ信号が量子ＱＫＤカード３２４ａから適切なラインカードにルーティングされ、適切な古典的ＱＫＤ信号が挿入され、電気切換コントローラ３２３により量子ＱＫＤ信号を補完することができるようにする。同様に、古典的専用ＱＫＤカード３２４ｂが、量子信号がまったく必要とされない経路上に古典的信号を伝送するためにラインカード３２５に接続されることができる。
【０１３４】
鍵配送ラック３２０は、ネットワーク上で同期を提供するために使用される。鍵配送ラック３２０は、ラインカードの古典的ＱＫＤ信号とＱＫＤカードの両方に対して信号を提供するクロック３２６を提供される。したがって、このクロック信号はネットワーク上にブロードキャストされ、エンドポイントのボブユニットがそれに従って量子信号を同期させることができるようにライン速度が適合されることを保証する。
【０１３５】
図３２のラインカード３２５は、単一出力を受動光ネットワークに提供するように示されている。より一般的に、受動光ネットワークでは、ラインカードは出力を複数のファイバに提供する。出力を４つの出力光ファイバに提供するラインカード３３０が図３３に示されている。量子ＱＫＤ信号は、電気スイッチ３２３に接続される１：４光スイッチ３３１で鍵配送ラック量子ＱＫＤカード３３４ａから受信される。これは、必要に応じて４つのファイバ経路のどれにでも適切な量子ＱＫＤ信号を提供するために制御される。ラインカード３３０は、電気切換コントローラ３２３に接続される４つの光トランスポンダ３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ、および３３２ｄ、ならびに鍵配送ラックのクロック３２６を有する。これらは、存在する場合には量子ＱＫＤ信号と結合するためにそれぞれの光アドドロップマルチプレクサ３３３ａ、３３３ｂ、３３３ｃ、および３３３ｄで古典的ＱＫＤ信号を提供する。受動光ネットワーク上に出て行くデータトラフィックはまた、関連するネットワークファイバを通して受動光ネットワーク上に出て行く信号を供給するためにマルチプレクサで挿入される。別方向に移動する信号（データ信号および古典的ＱＫＤ信号であって、量子ＱＫＤ信号ではない）が別方向に移動し、信号波長により決定される、内部データトラフィックのための経路に、または古典的ＱＫＤトランスポンダに向けられる。
【０１３６】
ネットワーク構築のこの手法は、以下の例で示される。
【０１３７】
図３４は、簡単なスター状ネットワークまたはハブアンドスポーク（ｈｕｂ−ａｎｄ−ｓｐｏｋｅ）状ネットワークを提供する本発明の態様の一実施形態を示す。ネットワークセンタ３４１は、ドメイン鍵のソース、およびすべての管理のためのセンタであり、Ｎ方向受動光スプリッタ３４３を介してさまざまな種類のエンドポイント３４４ａ〜３４４ｎに鍵を配送する。このとき、ネットワークセンタ３４１を通過しない経路上のエンドポイント間の暗号化されたデータ伝送のためにドメイン鍵が使用されることができる。中間量子ノードが受動光スプリッタ３４３の代わりに使用されることができる。この配置にはフォールトトレランスまたは冗長性がない。
【０１３８】
図３５は、量子鍵配送対応の受動光ネットワークを提供する本発明の態様の一実施形態を示す。中央システム要素――鍵管理センタ３５１、ネットワーク管理システム監督３５２、および鍵管理システム監督３５３――が１対（フォールトトレランスのため）の中間量子ノード３５４ａ、３５４ｂを通して鍵配送ラック３５５に接続され、上記で説明されたタイプでよいいくつかのライセンスカード３５６を提供される。ラインカードは、受動光ネットワーク上で運ばれるデータトラフィック上にＱＫＤ信号重ね合わせるための光アドドロップマルチプレクサを提供される。公衆ネットワーク上で鍵配送ラックの下流にスプリッタ３５７が提供され、全体が、ドメイン鍵または使用される任意の別の暗号化鍵が受信されるユーザのエンドポイント３５８で終端するスター状ネットワークを形成する。
【０１３９】
この場合も、図３５に示される配置よりも複雑な配置が実際には使用されることができる。図３６はそのような配置の一例を示す。この配置では、複数の鍵配送ラック３６５がフォールトトレランス増大のために提供され、重要なシステム構成要素に対して複数の接続可能性を提供するために内部量子ノード３６９が使用される。内部量子ノードは内部ファイバリングを介して接続され、ユーザへの鍵配送が内部ファイバリング上のハブで行われる。この配置を使用して、鍵管理センタおよび管理機能のためのバックアップが、メインＫＭＣから物理的に離れた位置に提供されることができ、したがって、システム全体のフォールトトレランスを改善する。この配置はまた、光ＱＫＤネットワークが既存のローカルエリアネットワークを増強するためにどのようにして容易に展開されることができるかを示す。内部ネットワーク上のデータ伝送は、光ファイバシステムではなくたとえ銅線システムであってもよいすでに存在する構成要素３６１上であってもよい。各鍵配送ラック３６５は受動光ネットワークの光加入者単局装置３６１に関連付けられ、受動光ネットワークはユーザＰＣまで延びる。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図２９Ｃ】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３７Ｃ】
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【国際調査報告】
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2013506373.tif 000051
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2013506373.tif 000053
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