(57)【要約】【課題】使用する光検出器の数を増やす必要がなく、乱数生成器も必須としない構成で、プローブ光の位相以外の測定データに対しても、量子暗号装置の情報を盗聴されないようにする。【解決手段】暗号処理される光信号とは無関係な補助光を発する補助光源（１６、２５）を含んで構成され、盗聴者が、伝送路（３０）を介してプローブ光を入射し、盗聴用の測定データを取得しようとした場合に、プローブ光と、補助光源から発する補助光とを混ぜ合わせることで、測定データを補助光のデータ値とする盗聴防止機能を有し、盗聴者によるサイドチャネル攻撃に対する耐性を有する量子暗号装置を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
盗聴者によるサイドチャネル攻撃に対する耐性を有する量子暗号装置であって、
暗号処理される光信号とは無関係な補助光を発する補助光源を含んで構成され、
前記盗聴者が、伝送路を介してプローブ光を入射し、盗聴用の測定データを取得しようとした場合に、前記プローブ光と、前記補助光源から発する前記補助光とを混ぜ合わせることで、前記測定データを前記補助光のデータ値とする盗聴防止機能を有する
量子暗号装置。
【請求項２】
請求項１に記載の量子暗号装置において、
前記補助光源は、前記伝送路を介して接続された送信側量子暗号装置および受信側量子暗号装置のうち、前記送信側量子暗号装置内に設けられた送信側補助光源であり、
前記送信側量子暗号装置は、前記暗号処理された光信号を出射するタイミングとは時間的に重複しないようにして前記送信側補助光源を駆動し、前記補助光を出射させる
量子暗号装置。
【請求項３】
請求項２に記載の量子暗号装置において、
前記送信側補助光源は、前記補助光を時間的にランダムなパルス光として出射する
量子暗号装置。
【請求項４】
請求項２に記載の量子暗号装置において、
前記送信側補助光源は、前記補助光をＣＷ光として出射する
量子暗号装置。
【請求項５】
請求項２に記載の量子暗号装置において、
前記送信側補助光源は、前記プローブ光による反射光と同等以上の光強度を有するように前記補助光を出射する
量子暗号装置。
【請求項６】
請求項１に記載の量子暗号装置において、
前記補助光源は、前記伝送路を介して接続された送信側量子暗号装置および受信側量子暗号装置のうち、前記受信側量子暗号装置内に設けられた受信側補助光源であり、
前記受信側量子暗号装置は、前記受信側補助光源を駆動し、前記補助光を出射させる
量子暗号装置。
【請求項７】
請求項６に記載の量子暗号装置において、
前記受信側補助光源は、前記補助光を時間的にランダムなパルス光として出射する
量子暗号装置。
【請求項８】
請求項６に記載の量子暗号装置において、
前記受信側補助光源は、前記補助光をＣＷ光として出射する
量子暗号装置。
【請求項９】
請求項６に記載の量子暗号装置において、
前記受信側補助光源は、前記プローブ光による反射光と同等以上の光強度を有するように前記補助光を出射する
量子暗号装置。
【請求項１０】
盗聴者によるサイドチャネル攻撃に対する耐性を有するとともに、暗号処理される光信号とは無関係な補助光を発する補助光源を含んで構成される量子暗号装置に用いられる盗聴防止方法であって、
前記盗聴者が、伝送路を介してプローブ光を入射し、盗聴用の測定データを取得しようとした場合に、前記プローブ光と、前記補助光源から発する前記補助光とを混ぜ合わせることで、前記測定データを前記補助光のデータ値とする盗聴防止ステップを有する
量子暗号装置に用いられる盗聴防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、盗聴者によるサイドチャネル攻撃に対する耐性を備えた量子暗号装置および量子暗号装置に用いられる盗聴防止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子鍵配布（ＱＫＤ：Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を行うと、通信を行う二者間で安全に秘密鍵を共有することができる。ここで、「安全に」とは、攻撃者の能力に制限を課さないことを意味し（無条件安全性）、このような安全性を量子力学の原理を用いて証明できることが、ＱＫＤ最大の利点と言える。
【０００３】
ただし、その証明の前提として、盗聴者は、送受信者の量子暗号装置を繋ぐ量子通信路（量子ビット（通常は、微弱コヒーレント光）を送受信するための通信路）、および公開通信路（公開情報を送受信するための認証機能付きの通信路）に対しては攻撃できるが、量子暗号装置に対してはアクセスできないとしている。
【０００４】
一方、サイドチャネル攻撃と呼ばれる暗号解読手法がある。これは、メッセージや暗号文だけを用いて暗号解読を行うのではなく、暗号装置の振る舞い、例えば、暗号化のための演算時間・装置からの放射電磁波・消費電力などの情報も加味して解析を行う手法である。
【０００５】
上述したように、量子暗号の安全性証明では、盗聴者が、装置にアクセスできないことを前提としている。しかしながら、実際には、盗聴者が装置にアクセスできないといったことはなく、量子暗号装置に対するサイドチャネル攻撃が多数研究されている。したがって、実際に量子暗号装置を作る際には、安全性証明の際に課した前提を満たせるよう、これらのサイドチャネル攻撃に耐性をもつような実装を行うべきである。
【０００６】
上述した量子暗号装置に対するサイドチャネル攻撃の一つに、Ｔｒｏｊａｎ  ｈｏｒｓｅ  ａｔｔａｃｋがある。この攻撃は、量子通信路を介して外部から量子暗号装置にプローブ光を入射し、装置の情報、特に、送受信者の送信／受信基底を盗聴するものである。本攻撃に対する従来の対策案として、基底の選択を能動的に行わない手法（例えば、特許文献１参照）や、基底情報の乗ったプローブ光の状態をさらに変化させる手法（例えば、非特許文献１参照）等が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５１４６６８１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｎ．  Ｇｉｓｉｎ，  Ｓ．  Ｆａｓｅｌ，  Ｂ．  Ｋｒａｕｓ，  Ｈ．  Ｚｂｉｎｄｅｎ，  ａｎｄ  Ｇ．  Ｒｉｂｏｒｄｙ  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．  Ａ  ７３，  ０２２３２０  （２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１では、基底の選択を能動的に行わない代わりに、受信側量子暗号装置の光検出器として、従来の方式よりも多くの台数を使用しなければいけない（通常は、２つであるが、特許文献１では４つ）。また、非特許文献１では、プローブ光に対してランダムな変調を行うために、乱数生成器を追加して使用する必要がある。
【００１０】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、使用する光検出器の数を増やす必要がなく、乱数生成器も必須としない構成で、プローブ光の位相以外の測定データに対しても、量子暗号装置の情報を盗聴されないようにする盗聴防止機能を有する量子暗号装置および量子暗号装置に用いられる盗聴防止方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る量子暗号装置は、盗聴者によるサイドチャネル攻撃に対する耐性を有する量子暗号装置であって、暗号処理される光信号とは無関係な補助光を発する補助光源を含んで構成され、盗聴者が、伝送路を介してプローブ光を入射し、盗聴用の測定データを取得しようとした場合に、プローブ光と、補助光源から発する補助光とを混ぜ合わせることで、測定データを補助光のデータ値とする盗聴防止機能を有するものである。
【００１２】
また、本発明に係る量子暗号装置に用いられる盗聴防止方法は、盗聴者によるサイドチャネル攻撃に対する耐性を有するとともに、暗号処理される光信号とは無関係な補助光を発する補助光源を含んで構成される量子暗号装置に用いられる盗聴防止方法であって、盗聴者が、伝送路を介してプローブ光を入射し、盗聴用の測定データを取得しようとした場合に、プローブ光と、補助光源から発する補助光とを混ぜ合わせることで、測定データを補助光のデータ値とする盗聴防止ステップを有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、送受信者が新たに用意した補助光源を用いて、盗聴者の測定データ値を、補助光源から出力される鍵共有には用いない光のデータ値とすることにより、使用する光検出器の数を増やす必要がなく、乱数生成器も必須としない構成で、プローブ光の位相以外の測定データに対しても、量子暗号装置の情報を盗聴されないようにする盗聴防止機能を有する量子暗号装置および量子暗号装置に用いられる盗聴防止方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における量子暗号装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１における送信側量子暗号装置が有する盗聴防止機能の説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１における受信側量子暗号装置が有する盗聴防止機能の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の量子暗号装置および量子暗号装置に用いられる盗聴防止方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における量子暗号装置の構成図である。本実施の形態１における量子暗号装置は、大きく分けて、送信側量子暗号装置１０、受信側量子暗号装置２０、および両装置間を結ぶ伝送路３０の３つで構成されている。
【００１７】
そして、送信側量子暗号装置１０は、レーザ光源（ＬＤ）１１、送信側ＰＬＣ（Ｐｌａｎｅｒ  Ｌｉｇｈｔ  ｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）１２、送信側位相変調器（ＰＭ）１３、光アッテネータ（ＡＴＴ）１４、光ファイバカプラ１５、および補助光源（Ｓｏｕｒｃｅ）１６を備えて構成されている。また、受信側量子暗号装置２０は、光ファイバカプラ２１、受信側位相調整器（ＰＭ）２２、受信側ＰＬＣ２３、光子検出器２４、および補助光源（Ｓｏｕｒｃｅ）２５を備えて構成されている。また、伝送路３０には、光ファイバが使用されている。
【００１８】
以下、送信側量子暗号装置１０および受信側量子暗号装置２０のそれぞれにおける盗聴防止動作を説明する。
まず始めに、送信側量子暗号装置１０における盗聴防止機能について説明する。
＜送信側量子暗号装置の説明＞
送信側量子暗号装置１０では、まず、レーザ光源１１からパルス状の光（信号光）が発せられ、送信側ＰＬＣ１２へと入射する。この送信側ＰＬＣ１２は、非対称マッハツェンダー干渉計（２つの入力と、２つの出力、および、長さの異なる２つの経路Ｌｏｎｇ  ａｒｍ、Ｓｈｏｒｔ  ａｒｍから構成される干渉計）であり、入射した信号光は、内部で２つのパルスに分割される。
【００１９】
それぞれの信号光パルスは、Ｌｏｎｇ  ａｒｍ、Ｓｈｏｒｔ  ａｒｍを伝播した後、さらに２つずつに分割され、ＰＬＣの出力ポート１、２から時間的に離れた２連信号光パルスが出力される。
【００２０】
ここで、送信側ＰＬＣ１２の内部の温度は、ペルチエ素子等を用いることによって、一定に保っておく必要がある。これは、上述した２連光パルス間の遅延量を一定に保っておくことに相当する。なお、送信側ＰＬＣ１２の出力ポート２から出力された２連光パルスは、以降、使用されない。
【００２１】
次に、出力ポート１から出力された２連信号光パルスは、送信側位相変調器１３へと入射する。送信側位相変調器１３では、２連信号光パルスの間に相対的な位相差を付加する。与える位相差量φＡは、例えば（−π／２、０、π／２、π）のいずれかをランダムに選択する。
【００２２】
この位相φＡが、鍵共有に用いる鍵情報、および送信側の基底情報である。その後、相対位相差φＡの付いた２連信号光パルスは、光アッテネータ１４によって、１パルスあたりの光の強度を、単一光子レベルにまで減光される。
【００２３】
２連信号光パルスの光強度は、送信側量子暗号装置１０から出力される際に、単一光子レベルになっていればよい。従って、減光操作は、例えば、レーザ光源１１から光が出力された直後、あるいは送信側ＰＬＣ１２の出力ポート１の直後に行ってもよい。
【００２４】
減光された２連信号光パルスは、その後、光ファイバカプラ１５の入力ポート１へと入射し、最後に出力ポート１から出力され、伝送路３０へと入射する。なお、光ファイバカプラ１５の出力ポート２から出力された２連信号光パルスは、以降、使用されない。
【００２５】
図２は、本発明の実施の形態１における送信側量子暗号装置１０が有する盗聴防止機能の説明図である。ここで、Ｔｒｏｊａｎ  ｈｏｒｓｅ  ａｔｔａｃｋを行う盗聴者の観点からすると、量子暗号装置の動作情報、特に、上述した位相φＡを得ることが目的である。そのために、盗聴者は、先ず、量子暗号装置と接続している伝送路３０を介して、送信側量子暗号装置１０にプローブ光を入射する（図２におけるステップＳ２１に相当）。すると、このプローブ光は、送信側量子暗号装置１０内の内部を通過し、各光コンポーネント接続点等において反射して（図２におけるステップＳ２２に相当）、再び伝送路３０へと戻る。
【００２６】
プローブ光は、送信側量子暗号装置１０の内部を通過していることから、装置の状態を反映しており、盗聴者は、その戻ってきたプローブ光を測定することで、装置の情報を得る。特に、送信側量子暗号装置１０内の送信側位相変調器１３が、（−π／２、０、π／２、π）のいずれかの設定を維持している時間中に、プローブ光が送信側位相変調器１３を通過すると、プローブ光にはφＡの情報が乗る。すなわち、盗聴者は、送信者（送信側量子暗号装置１０）の選択した鍵共有に用いる鍵、および、基底に関わる情報を得ることができる。
【００２７】
話を送信者の視点に戻す。送信者からすると、自身の選択した鍵、および、基底の情報を盗聴者に知られたくない。そこで、本実施の形態１では、盗聴者のプローブ光の状態、特に、位相状態を変化させるために、送信側量子暗号装置１０では、鍵共有には用いない光を使用する。そこで、送信側量子暗号装置１０内では、鍵共有には用いない光（すなわち、暗号処理される光信号とは無関係な補助光）を発するための光源を補助光源１６として備え、この補助光源１６を上述の光ファイバカプラ１５の入力ポート２と接続する。補助光源１６が発する光としては、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ：連続波）光、および時間的にランダムなパルス光が考えられる。
【００２８】
どちらの場合においても、光ファイバカプラ１５から伝送路３０へ入射する際に、送信者の信号光パルスと時間的に重複しないように、補助光源１６を駆動する。また、補助光源１６が発する光信号の強度は、盗聴者からのプローブ光の反射光と同程度、もしくはそれ以上であるとする。補助光源１６からの光の位相は、ランダムに変化させてもよいが、させなくてもよい。ランダムに変化させない場合には、乱数生成器が不要である。
【００２９】
以上のように、送信側量子暗号装置１０を動作させることで、盗聴者のプローブ光は、補助光源１６からの光と混ぜ合わされて、同じタイミングで伝送路３０へ入射する（図２におけるステップＳ２３に相当）こととなる。このように、盗聴者からのプローブ光と補助光源１６からの光を混ぜ合わさせることで、盗聴者の測定データ値は、送信者が用意した補助光源１６の光のデータ値とすることができる。この補助光源１６による測定データの操作は、位相に加え、他の測定データについても同様のことが言え、これにより、鍵や基底情報を含む送信側量子暗号装置１０の情報漏洩を防ぐことができる。
【００３０】
次に、受信側量子暗号装置２０における盗聴防止機能について説明する。
＜受信側量子暗号装置の説明＞
受信側量子暗号装置２０では、まず、伝送路３０から出力された２連光パルスが、光ファイバカプラ２１の入力ポート１へと入射し、出力ポート１から出力される。光ファイバカプラ２１の出力ポート２には、受信側と同様に、補助光源２５が接続されている。補助光源２５の動作については、後述する。
【００３１】
次に、２連光パルスは、受信側位相変調器２２へと入力される。受信側位相変調器２２では、送信側で行ったのと同様に、２連光パルスの間に相対的な位相差を付加する。与える位相差量φＢは、例えば（０、π／２）のいずれかをランダムに選択する。この位相φＢが、受信者の基底情報である。
【００３２】
次に、受信側位相変調器２２から出力された２連光パルスは、受信側ＰＬＣ２３の入力ポート１へと入射する。受信側ＰＬＣ２３では、送信側ＰＬＣ１２と同様に、２連光パルスのそれぞれが２つのパルスずつに分割され、Ｌｏｎｇ  ａｒｍとＳｈｏｒｔ  ａｒｍを伝播した後、出力ポート１、出力ポート２に出力される。
【００３３】
このとき、送信側ＰＬＣ１２と同様に、受信側ＰＬＣ２３内部の温度も、一定に保ち、かつ、送信側ＰＬＣ１２で生じた２連光パルス間の遅延量と同じ量の遅延を生じさせる温度設定とすることで、Ｌｏｎｇ  ａｒｍを伝播したパルスのうちの前方のパルスと、Ｓｈｏｒｔ  ａｒｍを伝播したパルスのうちの後方のパルスが干渉し、３連光パルスとなって出力される。この３連光パルスのうち、真ん中のパルスが、共有する秘密鍵の基となるデータである。
【００３４】
また、干渉した光パルス（３連光パルスの真ん中のパルス）が、出力ポート１、出力ポート２のどちらから出力されるかは、送信側位相変調器１３で付加した位相差量φＡと、受信側位相変調器２２で付加した位相差量φＢの組み合わせにより変化する。
【００３５】
最後に、受信側ＰＬＣ２３から出力された３連光パルスのうち、真ん中のパルスを光子検出器２４にて検出するために、当該パルスが入射するタイミングで光子検出器２４を駆動し検出する。送受信者は、検出したパルスデータを基にして、秘密鍵の共有を行う。
【００３６】
ここで、送信側量子暗号装置１０でも考えたように、受信側量子暗号装置２０に対するＴｒｏｊａｎ  ｈｏｒｓｅ  ａｔｔａｃｋを考える。図３は、本発明の実施の形態１における受信側量子暗号装置２０が有する盗聴防止機能の説明図である。
【００３７】
盗聴者の目的は、受信側量子暗号装置２０の動作情報、特に、上述した位相φＢを得ることである。そのために、盗聴者は、量子暗号装置と接続している伝送路３０を介して、受信側量子暗号装置２０にプローブ光を入射する（図３におけるステップＳ３１に相当）。入射したプローブ光は、受信側量子暗号装置２０内の内部を通過し、各光コンポーネント接続点等において反射して（図３におけるステップＳ３２に相当）、再び伝送路３０へと戻る。
【００３８】
プローブ光は、受信側量子暗号装置２０の内部を通過していることから、装置の状態を反映しており、盗聴者は、その戻ってきたプローブ光を測定することで、装置の情報を得る。特に、受信側量子暗号装置２０内の受信側位相変調器２２が、２連信号光パルスに対する変調（０、π／２）のいずれかの設定を維持している時間中に、プローブ光が受信側位相変調器２２を通過すると、プローブ光にはφＢの情報が乗る。すなわち、盗聴者は、受信者（受信側量子暗号装置２０）の選択した鍵共有に用いる基底に関わる情報を得ることができる。
【００３９】
基底情報の漏洩を防ぐために、受信者は、送信者と同様に、鍵共有には用いない光を使用する。鍵共有には用いない光は、上述した光ファイバカプラ２１の出力ポート２に接続されている補助光源２５によって入射される。補助光源２５が発する光としては、ＣＷ光、および時間的にランダムなパルス光が考えられる。
【００４０】
その光強度は、盗聴者からのプローブ光の反射光と同程度、もしくはそれ以上であるとする。補助光源２５からの光の位相は、ランダムに変化させてもよいが、させなくてもよい。ランダムに変化させない場合は、乱数生成器が不要である。また、鍵共有に用いない光は、入力ポート１，２から出力されるが、入力ポート２から出力された光は、以降、使用されない。
【００４１】
以上のように、受信側量子暗号装置２０を動作させることで、盗聴者のプローブ光は、補助光源２５からの光と混ぜ合わされて、同じタイミングで伝送路３０へ入射する（図３におけるステップＳ３３に相当）こととなる。送信側と同様に、盗聴者からのプローブ光と補助光源２５からの光を混ぜ合わさせることで、盗聴者の測定データ値は、受信者が用意した補助光源２５の光のデータ値とすることができる。この補助光源２５による測定データの操作は、位相に加え、他の測定データについても同様のことが言え、これにより、鍵や基底情報を含む受信側量子暗号装置２０の情報漏洩を防ぐことができる。
【００４２】
以上のように、実施の形態１によれば、以下のような効果を得ることができる。従来方式では、プローブ光の位相をランダムに変化させることで、量子暗号装置の情報漏洩（盗聴）を防止していた。一方、本発明では、送受信者が、新たに用意した補助光源による光を混ぜ合わせることで、上記目的を達成する。本発明の利点は、位相に加え、他の測定データにおいてもプローブ光の状態を変化させることができる点、使用する光検出器の数を増やす必要がない点、および乱数生成器を必要としない点にある。
【符号の説明】
【００４３】
１０  送信側量子暗号装置、１１  レーザ光源（ＬＤ）、１２  送信側ＰＬＣ、１３  送信側位相変調器（送信側ＰＭ）、１４  光アッテネータ、１５  光ファイバカプラ、１６  補助光源（送信側補助光源）、２０  受信側量子暗号装置、２１  光ファイバカプラ、２２  受信側位相変調器（受信側ＰＭ）、２３  受信側ＰＬＣ、２４  光子検出器、２５  補助光源（受信側補助光源）、３０  伝送路。
【図１】
2015012311.tif 000003
【図２】
2015012311.tif 000004
【図３】
2015012311.tif 000005