(57)【要約】【課題】一本化技術を適用した場合において、光子通信チャネルを介して送受信される光子列に生じるエラーレートを低減する通信装置、通信システムおよび通信方法を提供する。【解決手段】実施形態の通信装置は、他の通信装置と、光子列を送受信する光子通信チャネル、および光データ通信をする光データ通信チャネルが形成された１つの光通信路で接続され、同一の暗号鍵を生成して共有する通信装置であって、量子鍵共有手段と、鍵蒸留手段と、測定手段と、通信機能変更手段と、を備える。量子鍵共有手段は、他の通信装置との量子鍵配送によって、共有ビット列を生成する。鍵蒸留手段は、鍵蒸留処理によって、暗号鍵を生成する。測定手段は、光子通信チャネルの光子列に生じるエラーレートを測定する。通信機能変更手段は、エラーレートに基づいて、光データ通信の制限または制限の解除を行い、通信機能の変更を行う。【選択図】図２
2015179895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
他の通信装置と、光子列を送受信するための光子通信チャネル、および光データ通信をするための光データ通信チャネルが形成された１つの光通信路で接続され、同一の暗号鍵を生成して共有する通信装置であって、
前記光通信路を介した前記他の通信装置との量子鍵配送によって、共有ビット列を生成する量子鍵共有手段と、
前記共有ビット列から、鍵蒸留処理によって、前記暗号鍵を生成する鍵蒸留手段と、
前記光子通信チャネルを介して送受信される前記光子列に生じるエラーレートを測定する測定手段と、
前記エラーレートに基づいて、前記光データ通信チャネルの光データ通信の制限または該制限の解除を行うことにより通信機能の変更を行う通信機能変更手段と、
を備えた通信装置。
【請求項２】
前記通信機能変更手段は、前記制限として前記光データ通信を停止し、該制限の解除として該光データ通信を再開させる請求項１に記載の通信装置。
【請求項３】
前記通信機能変更手段は、前記制限として前記光データ通信の通信スループットを低下させ、該制限の解除として該スループットを上昇させる請求項１に記載の通信装置。
【請求項４】
前記光データ通信チャネルは、前記光通信路に複数形成され、
前記通信機能変更手段は、前記光データ通信チャネルの数を減少させることにより前記通信スループットを低下させ、該光データ通信チャネルの数を増加させることにより該通信スループットを上昇させる請求項３に記載の通信装置。
【請求項５】
前記通信機能変更手段は、前記光データ通信の通信プロトコルを第１プロトコルに切り替えることにより前記通信スループットを低下させ、該通信プロトコルを該第１プロトコルよりも高速な第２プロトコルに切り替えることにより該通信スループットを上昇させる請求項３に記載の通信装置。
【請求項６】
前記通信機能変更手段は、前記制限として前記光データ通信の光出力強度を低下させ、該制限の解除として該光出力強度を上昇させる請求項１に記載の通信装置。
【請求項７】
前記通信機能変更手段は、前記測定手段により測定された前記エラーレートが第１閾値以上であると検出された場合、前記光データ通信の前記制限を行う請求項１に記載の通信装置。
【請求項８】
前記通信機能変更手段は、前記光データ通信に対して前記制限を行う制限期間を、前記量子鍵共有手段により前記光子通信チャネルを介して所定のサイズの前記光子列の送信または受信が完了するまでの期間とする請求項１に記載の通信装置。
【請求項９】
前記通信機能変更手段は、前記光データ通信に対して前記制限を行う制限時間を、前記測定手段により測定された前記エラーレートが第２閾値未満であると検出されるまでの期間とする請求項１に記載の通信装置。
【請求項１０】
前記通信機能変更手段は、前記光データ通信に対して前記制限の解除を行ってからの有効期間を、少なくとも前記量子鍵共有手段および前記鍵蒸留処理によって１つの前記暗号鍵が生成されるまでの期間を含む請求項１に記載の通信装置。
【請求項１１】
前記暗号鍵を記憶する記憶手段をさらに備え、
前記通信機能変更手段は、前記記憶手段に記憶された前記暗号鍵の量が、該暗号鍵を使用するアプリケーションが必要とする該暗号鍵の量よりも多い場合、前記エラーレートの大きさに関わらず、前記光データ通信の前記制限を行わない請求項１に記載の通信装置。
【請求項１２】
前記暗号鍵を記憶する記憶手段をさらに備え、
前記通信機能変更手段は、前記記憶手段に記憶された前記暗号鍵の量が、該暗号鍵を使用するアプリケーションが必要とする該暗号鍵の量よりも少ない場合、前記光データ通信の前記制限を行う請求項１に記載の通信装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の通信装置を複数備え、
前記複数の通信装置のうち少なくともいずれかが、前記光通信路によって接続された通信システム。
【請求項１４】
他の通信装置と、光子列を送受信するための光子通信チャネル、および光データ通信をするための光データ通信チャネルが形成された１つの光通信路で接続され、同一の暗号鍵を生成して共有する通信装置の通信方法であって、
前記光通信路を介した前記他の通信装置との量子鍵配送によって、共有ビット列を生成する量子鍵共有ステップと、
前記共有ビット列から、鍵蒸留処理によって、前記暗号鍵を生成する鍵蒸留ステップと、
前記光子通信チャネルを介して送受信される前記光子列に生じるエラーレートを測定する測定ステップと、
前記エラーレートに基づいて、前記光データ通信チャネルの光データ通信の制限または該制限の解除を行うことにより通信機能の変更を行う通信機能変更ステップと、
を有する通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、通信装置、通信システムおよび通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子鍵配送システムは、送信機、受信機と、それを接続する光ファイバリンクとを含んで構成される。送信機は、光ファイバ（量子通信路）を介して、光子を受信機に送信する。その後、送信機と受信機が相互にデジタルデータである制御情報を交換することによって、送信機と受信機との間で秘密裏に暗号鍵となるビット列を共有する。この技術は一般に量子鍵配送(ＱＫＤ：Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ)と呼ばれる技術により実現される。
【０００３】
このような量子鍵配送システムを、一般の光データ通信を行う光データ通信ネットワークシステムに統合する技術が提案されている。このように、同一の光ファイバリンク上で、量子鍵配送のための光子の送受信と、光データ通信とを同時に行うための技術を、「一本化技術」と称するものとする。一本化技術は、同一の光ファイバリンク上で、光子を送受信するための光子通信チャネルと、光データ通信を行うための光データ通信チャネルとを同時に運用する技術であり、量子鍵配送システムを運用するために必要となる新たな光ファイバの敷設コストを低減させることができる。なお、上述の光データ通信チャネルでは、上述の制御情報を転送してもよいし、量子鍵配送とは無関係のデータを転送してもよい。
【０００４】
しかし、一般に、光データ通信チャネルで用いる光の光強度は強く、光子通信チャネルで用いる光の光強度は弱いため、光データ通信チャネル上の光が、光子通信チャネル上の光子に対するノイズとして影響する。このノイズによって、光子通信チャネルのエラーレートが上昇し、その結果、量子鍵配送システムの動作を不安定にするという問題点がある。ここでは、エラーレートとは、何らかの原因で光子通信チャネルを介して送受信される光子列に生じる誤り（エラー）の割合であるものとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＧＢ２４０５２９４Ａ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、一本化技術を適用した場合において、光子通信チャネルを介して送受信される光子列に生じるエラーレートを低減する通信装置、通信システムおよび通信方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の通信装置は、他の通信装置と、光子列を送受信するための光子通信チャネル、および光データ通信をするための光データ通信チャネルが形成された１つの光通信路で接続され、同一の暗号鍵を生成して共有する通信装置であって、量子鍵共有手段と、鍵蒸留手段と、測定手段と、通信機能変更手段と、を備える。量子鍵共有手段は、光通信路を介した他の通信装置との量子鍵配送によって、共有ビット列を生成する。鍵蒸留手段は、共有ビット列から、鍵蒸留処理によって、暗号鍵を生成する。測定手段は、光子通信チャネルを介して送受信される光子列に生じるエラーレートを測定する。通信機能変更手段は、エラーレートに基づいて、光データ通信チャネルの光データ通信の制限または制限の解除を行うことにより通信機能の変更を行う。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】通信システムの構成例を示す図である。
【図２】送信機および受信機のブロック構成を示す図である。
【図３】量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作の例を示すシーケンス図である。
【図４】鍵圧縮処理を説明する図である。
【図５】第１の実施形態におけるトラフィックフローの例を示す図である。
【図６】第２の実施形態におけるトラフィックフローの例を示す図である。
【図７】送信機および受信機のハードウェアの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る通信装置、通信システムおよび通信方法を詳細に説明する。また、以下の図面において、同一の部分には同一の符号が付してある。ただし、図面は模式的なものであるため、具体的な構成は以下の説明を参酌して判断すべきものである。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、通信システムの構成例を示す図である。図１を参照しながら、通信システム１００の構成について説明する。
【００１１】
図１に示すように、通信システム１００は、送信機１と、受信機２と、光ファイバリンク３（光通信路）と、を含んで構成されている。なお、以下においては主に、図１に示すように、送信機１と受信機２とがそれぞれ１つで構成された通信システム１００について説明するが、受信機２が１台で、光学機器を介して複数の送信機１が接続され、量子アクセスネットワーク（ＱＡＮ：Ｑｕａｎｔｕｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）が通信システムに統合された構成（後述の図７参照）であってもよい。また、受信機２が複数の光ファイバ通信のインタフェースを有し、それらのインタフェースを介して、複数の送信機１が接続された通信システムであってもよい。この場合、送信機１と受信機２とが逆となっている構成でもよい。
【００１２】
通信システム１００の光ファイバリンク３には、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：光波長多重化）技術により、光子の送受信をするための光子通信チャネルと、光データ通信を行うための光データ通信チャネルとが形成されている。すなわち、通信システム１００は、暗号鍵を生成する量子鍵配送システムとしても機能し、かつ、通常の光データ通信を行う光データ通信ネットワークシステムとしても機能する。なお、これ以外にも、例えば、送信機１と受信機２との間でのタイミングの同期を行う上で必要なクロック信号を交換するためのクロックチャネル等、上述の光子通信チャネルおよび光データ通信チャネル以外のチャネルが別途形成されていても構わない。
【００１３】
送信機１は、例えば、乱数によって発生させた、暗号鍵を生成する基となる単一光子から構成されるビット列（以下、光子ビット列という）を、光ファイバリンク３の光子通信チャネルを介して、受信機２へ送信する。送信機１は、送信した光子ビット列を基に、後述するシフティング、誤り訂正処理および鍵圧縮処理（秘匿性増強処理）等を実行して、暗号鍵を生成する。ここでは、送信機１が受信機２へ光子ビット列を送信する処理、および、シフティングを、特に「量子鍵配送」というものとする。また、誤り訂正処理および鍵圧縮処理（秘匿性増強処理）を、「鍵蒸留処理」というものとする。また、送信機１は、光ファイバリンク３の光データ通信チャネルを介して、受信機２との間で光データ通信を行う。光データ通信で通信されるデータとしては、上述の量子鍵配送または鍵蒸留処理で必要な制御データであってもよく、これ以外の一般的なデータであってもよい。
【００１４】
受信機２は、暗号鍵を生成する基となる単一光子から構成される光子ビット列を、光ファイバリンク３の光子通信チャネルを介して、送信機１から受信する。受信機２は、受信した光子ビット列を基に、後述するシフティング、誤り訂正処理および鍵圧縮処理（秘匿性増強処理）等を実行して、送信機１が生成した暗号鍵と同一の暗号鍵を生成する。すなわち、送信機１および受信機２は、同一の暗号鍵を生成して共有することになる。また、受信機２は、光ファイバリンク３の光データ通信チャネルを介して、受信機２との間で光データ通信を行う。
【００１５】
光ファイバリンク３は、上述のように、ＷＤＭ技術により、光子の送受信をするための光子通信チャネル、および光データ通信を行うための光データ通信チャネルとして機能する。
【００１６】
このような送信機１と受信機２とを含む通信システム１００によって、送信機１が送信した単一光子を光ファイバリンク３上で盗聴者が観測すると、光子の物理的変化が発生し、光子を受信した受信機２は、盗聴者に光子を観測されたことを知ることができる。なお、送信機１および受信機２の暗号鍵の生成動作の詳細については、後述する。また、送信機１および受信機２を総称する場合、「通信装置」というものとする。また、送信機１および受信機２が、光子ビット列を、光ファイバリンク３の光子通信チャネルを介して送受信し、光子ビット列を基に、後述するシフティング、誤り訂正処理および鍵圧縮処理（秘匿性増強処理）等を実行して暗号鍵を生成する装置として振舞う場合、「ＱＫＤ装置」というものとする。
【００１７】
図２は、送信機および受信機のブロック構成を示す図である。図２を参照しながら、送信機１および受信機２の機能ブロック構成について説明する。
【００１８】
図２に示すように、送信機１は、波長多重処理部１０と、量子鍵共有部１１（量子鍵共有手段）と、鍵蒸留部１２（鍵蒸留手段）と、鍵管理部１３と、鍵提供部１４と、ストレージ１５と、光データ通信部１６と、同期制御部１７と、通信機能変更部１８（通信機能変更手段）と、制御部１９（測定手段）と、を備えている。
【００１９】
波長多重処理部１０は、後述する受信機２の波長多重処理部２０と共に、ＷＤＭ技術により、光ファイバリンク３に、光子の送受信をするための光子通信チャネル３０と、光データ通信を行うための光データ通信チャネル３１とを形成する機能部である。
【００２０】
量子鍵共有部１１は、量子鍵配送を実行する機能部である。具体的には、量子鍵共有部１１は、例えば、乱数によって発生させたビット列に対して、ランダムに発生させた基底情報に基づく状態とした単一光子から構成される光子ビット列を、光子通信チャネル３０を介して、受信機２に送信する。次に、量子鍵共有部１１は、受信機２（後述の量子鍵共有部２１）が、受信した光子ビット列を読み取るためにランダムに発生させた基底情報を、光データ通信チャネル３１を介して受信する。そして、量子鍵共有部１１は、自ら発生した基底情報と量子鍵共有部２１から受信した基底情報とを比較して、一致する部分に対応するビットを光子ビット列から抽出して、共有ビット列とするシフティングを実行する。共有ビット列の長さは、量子鍵共有部１１および量子鍵共有部２１がランダムに発生させた基底情報に基づいて定まるので、基底情報の選択が真にランダムである場合、統計上、光子ビット列の約１／２の長さとなる。
【００２１】
鍵蒸留部１２は、鍵蒸留処理を実行する機能部である。具体的には、鍵蒸留部１２は、光データ通信チャネル３１を介して、後述する鍵蒸留部２２と制御データ（ＥＣ（Ｅｒｒｏｒ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ：誤り訂正）情報）を交換することにより、共有ビット列のビット誤りを訂正して、訂正後のビット列である訂正後ビット列を生成する誤り訂正処理を実行する。この鍵蒸留部１２が生成した訂正後ビット列は、後述する鍵蒸留部２２が、共有ビット列を訂正して生成した訂正後ビット列と一致する。次に、鍵蒸留部１２は、光データ通信チャネル３１を介して、鍵蒸留部２２から制御データ（ＰＡ（Ｐｒｉｖａｃｙ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ：秘匿性増強）情報）を受信し、訂正後ビット列に対して、量子鍵配送および誤り訂正処理の際に盗聴者により盗聴された可能性のあるビット情報を打ち消すための鍵圧縮処理を行う。鍵蒸留部１２による訂正後ビット列に対する鍵圧縮処理後のビット列を鍵ビット列というものとし、これが受信機２と共有する暗号鍵となる。
【００２２】
鍵管理部１３は、鍵蒸留部１２によって生成された暗号鍵（鍵ビット列）を、ストレージ１５に保存して管理する機能部である。なお、鍵管理部１３は、暗号鍵（鍵ビット列）だけではなく、量子鍵共有部１１により生成された光子ビット列および共有ビット列、ならびに、鍵蒸留部１２により生成された訂正後ビット列のうち少なくともいずれかを保存するようにしてもよい。鍵提供部１４は、必要に応じて、ストレージ１５から暗号鍵を取得し、外部のアプリケーションに提供する機能部である。ストレージ１５は、鍵蒸留部１２によって生成された暗号鍵を保存する記憶装置である。
【００２３】
光データ通信部１６は、光データ通信チャネル３１を介して、受信機２（後述する光データ通信部２６）との間で光データ通信を行うインタフェース装置である。光データ通信で通信されるデータは、上述のように、量子鍵配送および鍵蒸留処理で必要な制御データであってもよく、これ以外の一般的なデータであってもよい。また、光データ通信部１６は、後述するように、通信機能変更部１８の指令によって光データ通信の停止および再開、または通信スループットの変更を実行する。このため、光データ通信部１６は、光データ通信の停止期間に、受信機２に送信する予定のデータをバッファリングする図示しないバッファを備えている。
【００２４】
同期制御部１７は、受信機２との量子鍵配送を実行する際に、送信機１と受信機２との間で動作の同期をとる機能部である。同期する方法は、例えば、光データ通信チャネル３１を用いて行う方法としてもよく、光ファイバリンク３上に専用のチャネルを設けてこれを利用する方法としてもよく、あるいは、光ファイバリンク３を利用しないで、例えばＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）等を利用する方法としてもよい。
【００２５】
通信機能変更部１８は、光データ通信チャネル３１における光データ通信の通信機能を制御する機能部である。通信機能変更部１８は、光子通信チャネル３０に発生するエラーレート等に基づいて、光データ通信部１６に対して光データ通信チャネル３１の光データ通信を停止し、または、再開させる。光データ通信の停止条件、停止期間、および有効期間等についての詳細は、後述する。
【００２６】
制御部１９は、送信機１全体の制御を行う機能部である。また、制御部１９は、制御部２９との間で光子通信チャネル３０のエラーレートを測定して共有し、通信機能変更部１８における光データ通信チャネル３１の光データ通信の通信機能の制御方法を決定する。なお、制御部１９は、既存の技術に基づいて、ファイバストレッチャを制御したり、偏光および位相を変化させたりすることによってエラーレートを低く保ち、量子鍵配送を維持する制御（以下、フィードバック制御という）をするものとしてもよい。
【００２７】
なお、上述の波長多重処理部１０、量子鍵共有部１１、鍵蒸留部１２、鍵管理部１３、鍵提供部１４、同期制御部１７、通信機能変更部１８および制御部１９は、それぞれ後述するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）８０上で実行されるプログラムによって実現されてもよく、または、ハードウェア回路によって実現されてもよい。また、量子鍵共有部１１は、さらに別途光学回路装置を組み合わせることによって実現されてもよい。
【００２８】
図２に示すように、受信機２は、波長多重処理部２０と、量子鍵共有部２１（量子鍵共有手段）と、鍵蒸留部２２（鍵蒸留手段）と、鍵管理部２３と、鍵提供部２４と、ストレージ２５と、光データ通信部２６と、同期制御部２７と、通信機能変更部２８（通信機能変更手段）と、制御部２９（測定手段）と、備えている。
【００２９】
波長多重処理部２０は、送信機１の波長多重処理部１０と共に、ＷＤＭ技術により、光ファイバリンク３に、光子の送受信をするための光子通信チャネル３０と、光データ通信を行うための光データ通信チャネル３１とを形成する機能部である。
【００３０】
量子鍵共有部２１は、量子鍵配送を実行する機能部である。具体的には、量子鍵共有部２１は、光子通信チャネル３０を介して、送信機１から光子ビット列を受信し、ランダムに発生させた基底情報に基づいて、光子ビット列を読み取る。次に、量子鍵共有部２１は、送信機１（量子鍵共有部１１）が光子ビット列を送信するためにランダムに発生させた基底情報を、光データ通信チャネル３１を介して受信する。そして、量子鍵共有部２１は、自ら発生した基底情報と量子鍵共有部１１から受信した基底情報とを比較して、一致する部分に対応するビットを光子ビット列から抽出して、共有ビット列とするシフティングを実行する。共有ビット列の長さは、量子鍵共有部１１および量子鍵共有部２１がランダムに発生させた基底情報に基づいて定まるので、基底情報の選択が真にランダムである場合、統計上、光子ビット列の約１／２の長さとなる。
【００３１】
鍵蒸留部２２は、鍵蒸留処理を実行する機能部である。具体的には、鍵蒸留部２２は、光データ通信チャネル３１を介して、鍵蒸留部１２と制御データ（ＥＣ情報）を交換することにより、共有ビット列のビット誤りを訂正して、訂正後のビット列である訂正後ビット列を生成する誤り訂正処理を実行する。この鍵蒸留部２２が生成した訂正後ビット列は、鍵蒸留部１２が、共有ビット列を訂正して生成した訂正後ビット列と一致する。次に、鍵蒸留部２２は、光データ通信チャネル３１を介して、制御データ（ＰＡ情報）を生成して鍵蒸留部１２に送信し、このＰＡ情報に基づいて、訂正後ビット列に対して、量子鍵配送および誤り訂正処理の際に盗聴者により盗聴された可能性のあるビット情報を打ち消すための鍵圧縮処理を行う。鍵蒸留部２２による訂正後ビット列に対する鍵圧縮処理後のビット列を鍵ビット列というものとし、これが送信機１と共有する暗号鍵となる。
【００３２】
鍵管理部２３は、鍵蒸留部２２によって生成された暗号鍵（鍵ビット列）を、ストレージ２５に保存して管理する機能部である。なお、鍵管理部２３は、暗号鍵（鍵ビット列）だけではなく、量子鍵共有部２１により生成された光子ビット列および共有ビット列、ならびに、鍵蒸留部２２により生成された訂正後ビット列のうち少なくともいずれかを保存するようにしてもよい。鍵提供部２４は、必要に応じて、ストレージ２５から暗号鍵を取得し、外部のアプリケーションに提供する機能部である。ストレージ２５は、鍵蒸留部２２によって生成された暗号鍵を保存する記憶装置である。
【００３３】
光データ通信部２６は、光データ通信チャネル３１を介して、送信機１（光データ通信部１６）との間で光データ通信を行うインタフェース装置である。光データ通信で通信されるデータは、上述のように、量子鍵配送および鍵蒸留処理で必要な制御データであってもよく、これ以外の一般的なデータであってもよい。また、光データ通信部２６は、後述するように、通信機能変更部２８の指令によって光データ通信の停止および再開、または通信スループットの変更を実行する。このため、光データ通信部２６は、光データ通信の停止期間に、送信機１に送信する予定のデータをバッファリングする図示しないバッファを備えている。
【００３４】
同期制御部２７は、送信機１との量子鍵配送を実行する際に、受信機２と送信機１との間で動作の同期をとる機能部である。同期する方法は、例えば、光データ通信チャネル３１を用いて行う方法としてもよく、光ファイバリンク３上に専用のチャネルを設けてこれを利用する方法としてもよく、あるいは、光ファイバリンク３を利用しないで、例えばＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）等を利用する方法としてもよい。
【００３５】
通信機能変更部２８は、光データ通信チャネル３１における光データ通信の通信機能を制御する機能部である。通信機能変更部２８は、光子通信チャネル３０に発生するエラーレート等に基づいて、光データ通信部２６に対して光データ通信チャネル３１の光データ通信を停止し、または、再開させる。光データ通信の停止条件、停止期間、および有効期間等についての詳細は、後述する。
【００３６】
制御部２９は、受信機２全体の制御を行う機能部である。また、制御部２９は、光子通信チャネル３０におけるエラーレートを測定し、送信機１との間で共有し、通信機能変更部２８における光データ通信チャネル３１の光データ通信の通信機能の制御方法を決定する。なお、制御部２９は、既存の技術に基づいて、ファイバストレッチャを制御したり、偏光および位相を変化させたりすることによってエラーレートを低く保ち、量子鍵配送を維持するフィードバック制御をするものとしてもよい。
【００３７】
なお、上述の波長多重処理部２０、量子鍵共有部２１、鍵蒸留部２２、鍵管理部２３、鍵提供部２４、同期制御部２７、通信機能変更部２８および制御部２９は、それぞれ後述するＣＰＵ８０上で実行されるプログラムによって実現されてもよく、または、ハードウェア回路によって実現されてもよい。また、量子鍵共有部２１は、さらに別途光学回路装置を組み合わせることによって実現されてもよい。
【００３８】
また、図２に示す送信機１および受信機２のブロック構成は、機能を概念的に例示したものであって、このような構成に限定されるものではない。
【００３９】
図３は、量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作の例を示すシーケンス図である。図４は、鍵圧縮処理を説明する図である。図３および４を参照しながら、送信機１および受信機２による量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作について説明する。
【００４０】
＜ステップＳ１１＞
量子鍵共有部１１は、例えば、乱数によって発生させたビット列に対して、ランダムに発生させた基底情報に基づく状態とした単一光子から構成される光子ビット列を、光子通信チャネル３０を介して、受信機２の量子鍵共有部２１に送信する。量子鍵共有部２１は、光子通信チャネル３０を介して、量子鍵共有部１１から光子ビット列を受信し、ランダムに発生させた基底情報に基づいて、光子ビット列を読み取る。
【００４１】
＜ステップＳ１２＞
量子鍵共有部１１は、量子鍵共有部２１が、受信した光子ビット列を読み取るためにランダムに発生させた基底情報を、光データ通信チャネル３１を介して受信する。そして、量子鍵共有部１１は、自ら発生した基底情報と量子鍵共有部２１から受信した基底情報とを比較して、一致する部分に対応するビットを光子ビット列から抽出して、共有ビット列とするシフティングを実行する。量子鍵共有部１１は、生成した共有ビット列を、鍵蒸留部１２に渡す。なお、上述のシフティングの方法は一例であり、その他の方法によって実現するものとしてもよい。
【００４２】
＜ステップＳ１３＞
量子鍵共有部２１は、量子鍵共有部１１が光子ビット列を送信するためにランダムに発生させた基底情報を、光データ通信チャネル３１を介して受信する。そして、量子鍵共有部２１は、自ら発生した基底情報と量子鍵共有部１１から受信した基底情報とを比較して、一致する部分に対応するビットを光子ビット列から抽出して、共有ビット列とするシフティングを実行する。量子鍵共有部２１は、生成した共有ビット列を、鍵蒸留部２２に渡す。なお、上述のシフティングの方法は一例であり、その他の方法によって実現するものとしてもよい。
【００４３】
＜ステップＳ１４＞
鍵蒸留部１２は、光データ通信チャネル３１を介して、鍵蒸留部２２と交換したＥＣ情報に基づいて、共有ビット列のビット誤りを訂正し、訂正後のビット列である訂正後ビット列を生成する誤り訂正処理を実行する。この鍵蒸留部１２が生成した訂正後ビット列は、後述する鍵蒸留部２２が、共有ビット列を訂正して生成した訂正後ビット列と一致する。
【００４４】
＜ステップＳ１５＞
鍵蒸留部２２は、光データ通信チャネル３１を介して、鍵蒸留部１２と交換したＥＣ情報に基づいて、共有ビット列のビット誤りを訂正し、訂正後のビット列である訂正後ビット列を生成する誤り訂正処理を実行する。この鍵蒸留部２２が生成した訂正後ビット列は、鍵蒸留部１２が、共有ビット列を訂正して生成した訂正後ビット列と一致する。
【００４５】
＜ステップＳ１６＞
鍵蒸留部１２は、光データ通信チャネル３１を介して、鍵蒸留部２２から受信したＰＡ情報に基づいて、訂正後ビット列に対して、訂正した誤りの数から、量子鍵配送および誤り訂正処理の際に盗聴者により盗聴された可能性のあるビットを打ち消すための鍵圧縮処理を行い、暗号鍵（鍵ビット列）を生成する。具体的には、鍵蒸留部１２は、図４に示すように、生成した訂正後ビット列の長さｎと、ＰＡ情報に含まれる乱数と、暗号鍵の長さｓとからｎ×ｓの行列であるハッシュ関数を生成する。そして、鍵蒸留部１２は、訂正後ビット列にハッシュ関数を乗じることによって、長さｓの暗号鍵（鍵ビット列）を生成する。鍵蒸留部１２は、生成した暗号鍵を、鍵管理部１３に渡す。なお、鍵圧縮処理の方法は、上述のようなハッシュ関数を用いたものに限定するものではなく、その他の方法によって実現するものとしてもよい。
【００４６】
＜ステップＳ１７＞
鍵蒸留部２２は、光データ通信チャネル３１を介して、ＰＡ情報（乱数および暗号鍵の長さ等）を生成して鍵蒸留部１２に送信し、このＰＡ情報に基づいて、訂正後ビット列に対して、訂正した誤りの数から、量子鍵配送および誤り訂正処理の際に盗聴者により盗聴された可能性のあるビットを打ち消すための鍵圧縮処理を行い、暗号鍵（鍵ビット列）を生成する。具体的には、鍵蒸留部２２は、鍵蒸留部１２と同様の方法で、鍵圧縮処理を行い、暗号鍵（鍵ビット列）を生成する。鍵蒸留部２２は、生成した暗号鍵を、鍵管理部１３に渡す。
【００４７】
＜ステップＳ１８＞
鍵管理部１３は、鍵蒸留部１２によって生成された暗号鍵を、ストレージ１５に保存して管理する。ストレージ１５に保存された暗号鍵は、鍵提供部１４により必要に応じて取得され、外部のアプリケーションに提供される。
【００４８】
＜ステップＳ１９＞
鍵管理部２３は、鍵蒸留部２２によって生成された暗号鍵を、ストレージ２５に保存して管理する。ストレージ２５に保存された暗号鍵は、鍵提供部２４により必要に応じて取得され、外部のアプリケーションに提供される。
【００４９】
以上のような動作によって、送信機１および受信機２において、同一の暗号鍵が生成される。上述の動作シーケンスを繰り返すことによって、送信機１と受信機２との間で共有される異なる暗号鍵が繰り返し生成される。
【００５０】
図５は、第１の実施形態におけるトラフィックフローの例を示す図である。図５を参照しながら、光データ通信チャネル３１（図２参照）における光データ通信の通信機能の制御動作について説明する。
【００５１】
図５は、横軸を時間として、光子通信チャネル３０におけるエラーレート、光子通信チャネル３０における光子送信の状態、および、光データ通信チャネル３１における光データ通信の状態をそれぞれ例示するものである。上述のように、光データ通信チャネル３１における光データ通信の通信機能は、通信機能変更部１８および通信機能変更部２８によって制御される。また、制御部１９および制御部２９は、光子通信チャネル３０において発生するエラーのエラーレート情報を共有している。
【００５２】
制御部１９および制御部２９で共有している光子通信チャネル３０のエラーレートが良好な状態、すなわち、エラーレートが所定の閾値未満である場合、量子鍵共有部１１、２１は、通常通り、光子通信チャネル３０を介して、量子鍵配送を実行し、通信機能変更部１８、２８は、通常通り、それぞれ光データ通信部１６、２６に対して光データ通信チャネル３１を介した光データ通信を動作させる。そして、制御部１９、２９が、光子通信チャネル３０のエラーレートが所定の閾値以上であることを検出した場合、通信機能変更部１８、２８は、図５に示すように、それぞれ光データ通信部１６、２６に対して光データ通信チャネル３１を介した光データ通信を停止（制限）させる。これによって、光子通信チャネル３０において、光データ通信チャネル３１の光によるノイズに起因するエラーが低減し、エラーレートが低下させることができる。その結果、量子鍵共有部１１、２１の量子鍵配送による光子ビット列の生成が回復することができる。
【００５３】
ただし、光データ通信が停止することによって、当然光データ通信の通信スループットが低下する。また、鍵蒸留部１２、２２による鍵蒸留処理におけるＥＣ情報およびＰＡ情報は、光データ通信チャネル３１を介して送受信される場合、光データ通信を停止することにより、最終的に暗号鍵が生成される速度（以下、セキュアビットレートという）が低下する可能性もある。しかし、一般的に、鍵蒸留処理（誤り訂正処理および秘匿性増強処理）は、通信データ量よりも演算負荷がボトルネックとなりやすい処理であるため、光データ通信の停止条件および停止期間を適切に設定すれば、光データ通信の停止によるセキュアビットレートへの影響を低減することができる。
【００５４】
次に、光データ通信チャネル３１における光データ通信の停止条件の詳細について説明する。上述したように、通信機能変更部１８、２８は、制御部１９、２９が光子通信チャネル３０のエラーレートが所定の閾値以上であることを検出した場合、図５に示すように、それぞれ光データ通信部１６、２６に対して光データ通信チャネル３１を介した光データ通信を停止させる。この場合、制御部２９によって測定されるエラーレートは、瞬時値、または所定期間における平均値としてもよい。なお、制御部１９、２９がエラーレートの瞬時値が所定の閾値以上であることを検出した場合、上述した既存のフィードバック制御を実行し、エラーレートの平均値が所定の閾値以上であることを検出した場合、通信機能変更部１８、２８が光データ通信を停止させるという動作であってもよい。また、制御部１９、２９は、エラーレート（瞬時値または平均値）が所定の閾値以上であることを検出した場合、初期対応として既存のフィードバック制御を所定時間実行し、その後もエラーレート（瞬時値または平均値）が所定の閾値以上であった場合、通信機能変更部１８、２８が光データ通信を停止させるという動作であってもよい。
【００５５】
次に、光データ通信チャネル３１における光データ通信の停止方法について説明する。光データ通信の停止方法としては、例えば、通信機能変更部１８、２８が、それぞれネットワークインタフェースである光データ通信部１６、２６に対して無効化（ｄｉｓａｂｌｅ）し、送信する予定のデータを光データ通信部１６、２６のバッファにバッファリングするという方法が考えられる。
【００５６】
次に、光データ通信チャネル３１における光データ通信の停止期間（制限期間）（図５参照）について説明する。通信機能変更部１８、２８が、光子通信チャネル３０のエラーレートが所定の閾値以上であることにより、光データ通信を停止させた後、例えば、次のような期間だけ光データ通信を停止させる。量子鍵共有部１１による単一光子から構成される光子ビット列の受信機２への送信は、通常、所定のサイズ（ブロックサイズ）単位で行われる。したがって、通信機能変更部１８、２８は、量子鍵共有部１１が光子通信チャネル３０を介して、所定のブロックサイズの光子ビット列の送信が完了するまでの期間を光データ通信の停止期間とする。これによって、量子鍵共有部１１が所定のブロックサイズの光子ビット列を送信する期間、光子通信チャネル３０におけるエラーを排除することができ、ブロックサイズの光子ビット列を低いエラーレートで送信することができ、その結果、そのブロックサイズの光子ビット列については暗号鍵生成に利用できる可能性が高くなる。
【００５７】
また、通信機能変更部１８、２８が光データ通信を停止させた後の停止期間を、光データ通信部１６、２６のバッファにおいて、送信する予定のデータのバッファリングが可能な期間としてもよい。これによって、バッファにバッファリングできなかったデータを、バッファに空き容量ができたときにバッファリングする、あるいは、そのデータを再送するという動作を低減することができる。
【００５８】
また、通信機能変更部１８、２８が光データ通信を停止させた後の停止期間を、単純に、制御部１９、２９が光子通信チャネル３０のエラーレートが所定の閾値未満であることを検出するまでの期間としてもよい。これによって、光子通信チャネル３０において、光データ通信によるノイズに起因するエラーを低減させた上で、光データ通信を再開することができる。なお、この場合、通信機能変更部１８、２８が、光データ通信を停止させる場合のエラーレートに対する閾値と、光データ通信を再開させる場合のエラーレートに対する閾値とは別の値であってもよい。
【００５９】
以上のような光データ通信の停止期間の経過後に、図５に示すように、通信機能変更部１８、２８は、それぞれ光データ通信部１６、２６に対して光データ通信チャネル３１を介した光データ通信を再開（制限の解除）させる。
【００６０】
次に、光データ通信チャネル３１における光データ通信が再開された後の光データ通信の有効期間（図５参照）について説明する。まず、量子鍵共有部１１、２１によるシフティングにおける基底情報、および鍵蒸留部１２、２２による鍵蒸留処理におけるＥＣ情報およびＰＡ情報、またはそのうちのいずれか一方が光データ通信チャネル３１を介して送受信される場合について説明する。通信機能変更部１８、２８が、それぞれ光データ通信部１６、２６に対して光データ通信を再開させた後、例えば、少なくとも次のような期間だけ光データ通信を有効状態にする。通信機能変更部１８、２８は、少なくとも、一連の量子鍵共有部１１、２１によるシフティングにおける基底情報、ならびに鍵蒸留部１２、２２による鍵蒸留処理におけるＥＣ情報およびＰＡ情報、またはそのうちのいずれか一方が、光データ通信チャネル３１を介して送受信されるまでの期間を光データ通信の有効期間とする。これによって、一連の鍵蒸留処理が完了し、送信機１および受信機２が一つの暗号鍵の共有する処理が完了するまで光データ通信を連続して行うことができ、セキュアビットレートの観点から効率が良い。
【００６１】
また、通信機能変更部１８、２８が光データ通信を再開させた後の有効期間を、単純に、制御部１９、２９が光子通信チャネル３０のエラーレートが所定の閾値以上であることを検出するまでの期間としてもよい。
【００６２】
なお、光データ通信には、送信機１から受信機２へと向かう方向と、受信機２から送信機１へと向かう方向があるが、これらの二方向の通信を同期して停止および再開を切り替えてもよく、同期させずに停止および再開を切り替えてもよい。また、一方向の光データ通信のみについて、停止および再開を切り替えるものとしてもよい。また、鍵蒸留処理における制御データの通信でより多く利用される方向をより長く有効とするような制御としてもよい。
【００６３】
また、送信機１と受信機２との間で暗号鍵の共有が十分に行われ、ストレージ１５、２５に蓄積されている暗号鍵の量が、暗号鍵を利用するアプリケーションが必要とする暗号鍵の量よりも多い場合、エラーレートが上昇しても、光データ通信を停止しないとするものとしてもよい。これによって、光子通信チャネル３０を介した光子ビット列の生成量が低減する可能性があるが、暗号鍵の量は十分であるので問題はなく、かつ、光データ通信チャネル３１を介したデータ通信を継続することができる。
【００６４】
（第２の実施形態）
本実施形態に係る通信システムの動作について、第１の実施形態に係る通信システム１００と相違する構成および動作を中心に説明する。なお、本実施形態に係る通信システムの構成、および、その通信システムを含む量子配送ネットワークの構成は、第１の実施形態と同様である。また、本実施形態に係る通信システムにおける量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作は、第１の実施形態と同様である。
【００６５】
まず、図２を参照しながら、各機能部の動作について第１の実施形態と相違する点を中心に説明する。光データ通信部１６は、光データ通信チャネル３１を介して、受信機２（光データ通信部２６）との間で光データ通信を行うインタフェース装置である。また、光データ通信部１６は、後述するように、通信機能変更部１８の指令によって光データ通信の通信スループットの制御を実行する。このため、光データ通信部１６は、光データ通信の通信スループットの制限中に、受信機２に送信する予定のデータをバッファリングする図示しないバッファを備えている。
【００６６】
通信機能変更部１８（通信機能変更手段）は、光データ通信チャネル３１における光データ通信の通信機能を制御する機能部である。通信機能変更部１８は、光子通信チャネル３０に発生するエラーレート等に基づいて、光データ通信部１６に対して光データ通信チャネル３１の光データ通信の通信スループットを制限する。光データ通信の通信スループットの低下条件、制限期間、および通常動作期間等についての詳細は、後述する。
【００６７】
光データ通信部２６は、光データ通信チャネル３１を介して、送信機１（光データ通信部１６）との間で光データ通信を行うインタフェース装置である。また、光データ通信部２６は、後述するように、通信機能変更部２８の指令によって光データ通信の通信スループットの制御を実行する。このため、光データ通信部２６は、光データ通信の通信スループットの制限中に、送信機１に送信する予定のデータをバッファリングする図示しないバッファを備えている。
【００６８】
通信機能変更部２８（通信機能変更手段）は、光データ通信チャネル３１における光データ通信の通信機能を制御する機能部である。通信機能変更部２８は、光子通信チャネル３０に発生するエラーレート等に基づいて、光データ通信部２６に対して光データ通信チャネル３１の光データ通信の通信スループットを制限する。光データ通信の通信スループットの低下条件、制限期間、および通常動作期間等についての詳細は、後述する。
【００６９】
図６は、第２の実施形態におけるトラフィックフローの例を示す図である。図６を参照しながら、光データ通信チャネル３１（図２参照）における光データ通信の通信機能の制御動作について説明する。
【００７０】
図６は、横軸を時間として、光子通信チャネル３０におけるエラーレート、光子通信チャネル３０における光子送信の状態、および、光データ通信チャネル３１における光データ通信の状態をそれぞれ例示するものである。上述のように、光データ通信チャネル３１における光データ通信の通信機能は、通信機能変更部１８および通信機能変更部２８によって制御される。また、制御部１９および制御部２９は、光子通信チャネル３０において発生するエラーのエラーレートの情報を共有している。
【００７１】
制御部１９および制御部２９で共有している光子通信チャネル３０のエラーレートが良好な状態、すなわち、エラーレートが所定の閾値未満である場合、量子鍵共有部１１、２１は、通常通り、光子通信チャネル３０を介して、量子鍵配送を実行し、通信機能変更部１８、２８は、それぞれ光データ通信部１６、２６に対して光データ通信チャネル３１を介した光データ通信を通常の通信スループット（例えば、最大通信スループット）で動作させる。そして、制御部１９、２９が、光子通信チャネル３０のエラーレートが所定の閾値以上であることを検出した場合、通信機能変更部１８、２８は、図６に示すように、それぞれ光データ通信部１６、２６に対して光データ通信チャネル３１を介した光データ通信の通信スループットを低下（制限）させる。これによって、光子通信チャネル３０において、光データ通信チャネル３１の光によるノイズに起因するエラーが低減し、エラーレートが低下させることができるその結果、量子鍵共有部１１、２１の量子鍵配送による光子ビット列の生成が回復することができる。
【００７２】
ただし、光データ通信の通信スループットが低下することによって、当然、光データ通信チャネル３１の通信データ量が低下する。また、鍵蒸留部１２、２２による鍵蒸留処理におけるＥＣ情報およびＰＡ情報は、光データ通信チャネル３１を介して送受信される場合、光データ通信の通信スループットの低下により、セキュアビットレートが低下する可能性もある。しかし、一般的に、鍵蒸留処理（誤り訂正処理および秘匿性増強処理）は、通信データ量よりも演算負荷がボトルネックとなりやすい処理であるため、光データ通信の通信スループットの低下条件および制限期間を適切に設定すれば、光データ通信の制限によるセキュアビットレートへの影響を低減することができる。
【００７３】
次に、光データ通信チャネル３１における光データ通信の通信スループットの低下条件の詳細について説明する。上述したように、通信機能変更部１８、２８は、制御部１９、２９が光子通信チャネル３０のエラーレートが所定の閾値以上であることを検出した場合、図６に示すように、それぞれ光データ通信部１６、２６に対して光データ通信チャネル３１を介した光データ通信の通信スループットを低下させる。この場合、制御部２９によって測定されるエラーレートは、瞬時値、または所定期間における平均値としてもよい。なお、制御部１９、制御部２９がエラーレートの瞬時値が所定の閾値以上であることを検出した場合、上述した既存のフィードバック制御を実行し、エラーレートの平均値が所定の閾値以上であることを検出した場合、通信機能変更部１８、２８が光データ通信の通信スループットを低下させるという動作であってもよい。また、制御部１９、２９は、エラーレート（瞬時値または平均値）が所定の閾値以上であることを検出した場合、初期対応として既存のフィードバック制御を所定時間実行し、その後もエラーレート（瞬時値または平均値）が所定の閾値以上であった場合、通信機能変更部１８、２８が光データ通信の通信スループットを低下させるという動作であってもよい。
【００７４】
次に、光データ通信チャネル３１における光データ通信の通信スループットの制限方法について説明する。光データ通信の通信スループットの制限方法としては、例えば、光データ通信のために、波長多重処理部１０、２０により光データ通信チャネルが複数（利用する波長が複数）形成されている場合、通信機能変更部１８、２８が光データ通信チャネルの数を減少させることによって、光データ通信の通信スループットを低下できる。また、通信機能変更部１８、２８が既存のトラフィックシェーピング技術を適用し、光データ通信の通信スループットを低下させるものとしてもよい。また、通信機能変更部１８、２８が、光データ通信に用いる通信プロトコルを高速なプロトコル（第２プロトコル）から低速なプロトコル（第１プロトコル）に切り替えることによって、光データ通信の通信スループットを低下させるものとしてもよい。
【００７５】
次に、光データ通信チャネル３１における光データ通信の通信スループットの制御動作について、具体例を説明する。上述したように、通信機能変更部１８、２８は、制御部１９、２９が光子通信チャネル３０のエラーレートが所定の閾値以上であることを検出した場合、図６に示すように、それぞれ光データ通信部１６、２６に対して光データ通信チャネル３１を介した光データ通信の通信スループットを徐々に低下させる。この場合、通信スループットの下限値を設けておくことが望ましい。なお、通信スループットの下限値を０としてもよい。この場合、第１の実施形態における効果も得られる。また、０とは異なる通信スループットの下限値を設けてもよい。そして、通信機能変更部１８、２８が、それぞれ光データ通信部１６、２６に対して、光データ通信の通信スループットが低下中または下限値としている状態において、図６に示すように、制御部１９、２９が、エラーレートが所定の閾値未満となったことを検出した場合、通信スループットを徐々に上昇させる。これによって、エラーレートを所定の閾値未満としながら、その条件下で、最も高速な通信スループットを実現できる。なお、通信機能変更部１８、２８が、光データ通信チャネル３１の光データ通信の通信スループットを徐々に低下および上昇させているが、光データ通信の通信スループットを通常から制限状態に移行する場合および制限状態から通常に移行する場合、不連続に変化させるものとしてもよい。
【００７６】
次に、光データ通信チャネル３１における光データ通信の通信スループットの制限期間について説明する。ここで、制限期間とは、光データ通信の通信スループットが低下し始めてから、上昇し始めるまでの期間をいうものとする。通信機能変更部１８、２８が、光子通信チャネル３０のエラーレートが所定の閾値以上であることにより、光データ通信の通信スループットを低下させ始めた後、例えば、次のような期間だけ光データ通信の通信スループットを制限する。量子鍵共有部１１による単一光子から構成される光子ビット列の受信機２への送信は、通常、所定のサイズ（ブロックサイズ）単位で行われる。したがって、通信機能変更部１８、２８は、量子鍵共有部１１が光子通信チャネル３０を介して、所定のブロックサイズの光子ビット列の送信が完了するまでの期間を光データ通信の通信スループットの制限期間とする。これによって、量子鍵共有部１１が所定のブロックサイズの光子ビット列を送信する期間、光子通信チャネル３０におけるエラーを低減することができ、ブロックサイズの光子ビット列を低いエラーレートで送信することができ、その結果、そのブロックサイズの光子ビット列については暗号鍵生成に利用できる可能性が高くなる。
【００７７】
また、通信機能変更部１８、２８が光データ通信の通信スループットを低下させ始めた後の制限期間を、光データ通信部１６、２６のバッファにおいて、送信する予定のデータのバッファリングが可能な期間としてもよい。これによって、バッファにバッファリングできなかったデータを、バッファに空き容量ができたときにバッファリングする、あるいは、そのデータを再送するという動作を低減することができる。
【００７８】
また、通信機能変更部１８、２８が光データ通信の通信スループットを低下させ始めた後の制限期間を、単純に、制御部１９、２９が光子通信チャネル３０のエラーレートが所定の閾値未満であることを検出するまでの期間としてもよい。これによって、光子通信チャネル３０において、光データ通信によるノイズに起因するエラーを低減させた上で、光データ通信の通信スループットを通常の状態に戻すことができる。なお、この場合、通信機能変更部１８、２８が、光データ通信の通信スループットを低下させる場合のエラーレートに対する閾値と、光データ通信の通信スループットを上昇させる場合のエラーレートに対する閾値とは別の値であってもよい。
【００７９】
以上のような光データ通信の通信スループットの制限期間の経過後に、図６に示すように、通信機能変更部１８、２８は、それぞれ光データ通信部１６、２６に対して光データ通信チャネル３１を介した光データ通信の通信スループットを上昇（制限の解除）させる。
【００８０】
次に、光データ通信チャネル３１における光データ通信の通信スループットが通常の状態に戻った後の光データ通信の通信スループットの通常動作期間（有効期間）について説明する。まず、量子鍵共有部１１、２１によるシフティングにおける基底情報、ならびに鍵蒸留部１２、２２による鍵蒸留処理におけるＥＣ情報およびＰＡ情報、またはそのうちのいずれか一方が、光データ通信チャネル３１を介して送受信されることを前提とする。通信機能変更部１８、２８が、それぞれ光データ通信部１６、２６に対して光データ通信の通信スループットを通常の状態に戻した後、例えば、少なくとも次のような期間だけ光データ通信の通信スループットを通常の状態に維持する。通信機能変更部１８、２８は、少なくとも、一連の量子鍵共有部１１、２１によるシフティングにおける基底情報、ならびに鍵蒸留部１２、２２による鍵蒸留処理におけるＥＣ情報およびＰＡ情報、またはそのうちのいずれか一方が、光データ通信チャネル３１を介して送受信されるまでの期間を光データ通信の通信スループットの通常動作期間とする。これによって、一連の鍵蒸留処理が完了し、送信機１および受信機２が一つの暗号鍵の共有する処理が完了するまで光データ通信を連続して行うことができ、セキュアビットレートの観点から効率が良い。
【００８１】
また、通信機能変更部１８、２８が光データ通信の通信スループットを通常の状態に戻した後の通常動作期間を、単純に、制御部１９、２９が光子通信チャネル３０のエラーレートが所定の閾値以上であることを検出するまでの期間としてもよい。
【００８２】
なお、光データ通信には、送信機１から受信機２へと向かう方向と、受信機２から送信機１へと向かう方向があるが、これらの二方向の通信を同期して通信スループットの制限をしてもよく、同期させずに通信スループットの制限をしてもよい。また、一方向の光データ通信のみについて、通信スループットの制限をしてもよい。また、鍵蒸留処理における制御データの通信でより多く利用される方向をより長く通信スループットが通常状態とするような制御としてもよい。
【００８３】
また、送信機１と受信機２との間で暗号鍵の共有が十分に行われ、ストレージ１５、２５に蓄積されている暗号鍵の量が、暗号鍵を利用するアプリケーションが必要とする暗号鍵の量よりも多い場合、エラーレートが上昇しても、光データ通信の通信スループットを制限しないとするものとしてもよい。これによって、光子通信チャネル３０を介した光子ビット列の生成量が低減する可能性があるが、暗号鍵の量は十分であるので問題はなく、かつ、光データ通信チャネル３１を介したデータ通信を通常の通信スループットにより継続することができる。
【００８４】
（第３の実施形態）
本実施形態に係る通信システムの動作について、第１および第２の実施形態に係る通信システムと相違する構成および動作を中心に説明する。なお、本実施形態に係る通信システムの構成、および、その通信システムを含む量子配送ネットワークの構成は、第１の実施形態と同様である。また、本実施形態に係る通信システムにおける量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作は、第１の実施形態と同様である。
【００８５】
まず、図２を参照しながら、各機能部の動作について第１の実施形態と相違する点を中心に説明する。光データ通信部１６は、光データ通信チャネル３１を介して、受信機２（光データ通信部２６）との間で光データ通信を行うインタフェース装置である。また、光データ通信部１６は、通信機能変更部１８の指令によって光データ通信チャネル３１の光出力強度の制御を実行する。このため、光データ通信部１６は、光データ通信チャネル３１の光出力強度の低下中に、受信機２に送信する予定のデータをバッファリングする図示しないバッファを備えている。
【００８６】
通信機能変更部１８（通信機能変更手段）は、光データ通信チャネル３１における光データ通信の通信機能を制御する機能部である。通信機能変更部１８は、光子通信チャネル３０に発生するエラーレート等に基づいて、光データ通信部１６に対して光データ通信チャネル３１の光出力強度を制限する。
【００８７】
光データ通信部２６は、光データ通信チャネル３１を介して、送信機１（光データ通信部１６）との間で光データ通信を行うインタフェース装置である。また、光データ通信部２６は、通信機能変更部２８の指令によって光データ通信チャネル３１の光出力強度の制御を実行する。このため、光データ通信部２６は、光データ通信チャネル３１の光出力強度の低下中に、送信機１に送信する予定のデータをバッファリングする図示しないバッファを備えている。
【００８８】
通信機能変更部２８（通信機能変更手段）は、光データ通信チャネル３１における光データ通信の通信機能を制御する機能部である。通信機能変更部２８は、光子通信チャネル３０に発生するエラーレート等に基づいて、光データ通信部２６に対して光データ通信チャネル３１の光出力強度を制限する。
【００８９】
本実施形態における光データ通信チャネル３１の光出力強度の低下条件、制御動作、制限期間、および通常動作期間（有効期間）については、それぞれ第２の実施形態における光データ通信の通信スループットの低下条件、制御動作、制限期間、および通常動作期間と同様である。
【００９０】
以上のような光データ通信チャネル３１の光出力強度の制限動作によっては、原則として光データ通信の通信スループットは変化しない。ただし、例えば、光出力強度を低下させることによって、光データ通信チャネル３１における誤り率が増加し、そのため誤り訂正コードをより強力なものへ変更する必要が生じ、結果として光データ通信の通信スループットが低下する可能性はある。しかし、上述のように、光データ通信チャネル３１の光出力強度について、上述のように、適切な低下条件、制御動作、制限期間、および通常動作期間によって動作させることによって第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９１】
図７は、送信機および受信機のハードウェアの構成図である。図７を参照しながら上述の実施形態に係る通信装置のハードウェア構成について説明する。
【００９２】
上述の実施形態に係る通信装置は、ＣＰＵ８０等の制御装置と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）８１と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）８２と、光子の送受信および光データ通信を行う通信Ｉ／Ｆ８３と、暗号鍵を保存するストレージである外部記憶装置８４と、量子鍵共有部１１（または２１）の一部の機能を実現する光学回路装置８５と、各部を接続するバス８６を備えている。
【００９３】
上述の実施形態に係る通信装置で実行されるプログラムは、ＲＯＭ８１等に予め組み込まれて提供される。
【００９４】
上述の実施形態に係る通信装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｋ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｋ  Ｒｅｃｏｒｄａｂｌｅ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録してコンピュータプログラムプロダクトとして提供されるように構成してもよい。
【００９５】
さらに、上述の実施形態に係る通信装置で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、上述の実施形態に係る通信装置で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。
【００９６】
上述の実施形態に係る通信装置で実行されるプログラムは、コンピュータを上述した通信装置の各部（波長多重処理部１０、量子鍵共有部１１、鍵蒸留部１２、鍵管理部１３、鍵提供部１４、同期制御部１７、通信機能変更部１８、制御部１９、波長多重処理部２０、量子鍵共有部２１、鍵蒸留部２２、鍵管理部２３、鍵提供部２４、同期制御部２７、通信機能変更部２８および制御部２９）として機能させ得る。このコンピュータは、ＣＰＵ８０がコンピュータ読取可能な記憶媒体からプログラムを主記憶装置上に読み出して実行することができる。
【００９７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、および変更を行うことができる。これらの実施形態およびその変形は、発明の範囲および要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９８】
１  送信機
２  受信機
３  光ファイバリンク
１０  波長多重処理部
１１  量子鍵共有部
１２  鍵蒸留部
１３  鍵管理部
１４  鍵提供部
１５  ストレージ
１６  光データ通信部
１７  同期制御部
１８  通信機能変更部
１９  制御部
２０  波長多重処理部
２１  量子鍵共有部
２２  鍵蒸留部
２３  鍵管理部
２４  鍵提供部
２５  ストレージ
２６  光データ通信部
２７  同期制御部
２８  通信機能変更部
２９  制御部
３０  光子通信チャネル
３１  光データ通信チャネル
８０  ＣＰＵ
８１  ＲＯＭ
８２  ＲＡＭ
８３  通信Ｉ／Ｆ
８４  外部記憶装置
８５  光学回路装置
８６  バス
１００  通信システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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