(57)【要約】【課題】中継局の信頼性劣化に対して暗号化通信の安全性劣化を抑制することができる暗号通信システム、暗号通信方法および装置を提供する。【解決手段】通信相手（１１，１６）と接続した複数の異なる物理的に独立な並列経路を通して、通信相手と複数の独立な暗号鍵（K11, K13)を共有するための鍵共有手段（１１１，１１２，１６１，１６２）と、通信相手へ送信するメッセージ（Ｍ）を通信相手と共有した暗号鍵を用いて多重暗号化し、通信相手から受信した多重暗号化メッセージを前記通信相手と共有した暗号鍵を用いて復号する多重暗号化部（１１３）および多重復号部（１６３）を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
暗号通信システムにおける暗号通信装置であって、
ネットワークに通信相手と接続した複数の異なる物理的に独立な並列経路を構成し、前記複数の異なる物理的に独立な並列経路をそれぞれ通して複数の独立な暗号鍵をそれぞれ暗号化して配付することで前記通信相手と前記複数の独立な暗号鍵を共有するための鍵共有手段と、
前記通信相手へ送信するメッセージを前記通信相手と共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて多重暗号化し、前記通信相手から受信した多重暗号化メッセージを前記通信相手と共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて復号する暗号通信手段と、
を有することを特徴とする暗号通信装置。
【請求項２】
前記ネットワークは少なくとも１つの中継ノードを含む秘匿通信ネットワークであり、前記複数の異なる物理的に独立な並列経路の各々における隣接ノード間で対応する暗号鍵を順次暗号化して転送することを特徴とする請求項１に記載の暗号通信装置。
【請求項３】
前記暗号通信手段は、前記多重暗号化メッセージを前記複数の異なる物理的に独立な並列経路とは別の通信路を通して前記通信相手へ送信することを特徴とする請求項１または２に記載の暗号通信装置。
【請求項４】
前記暗号通信手段は、前記多重暗号化メッセージを前記複数の異なる物理的に独立な並列経路の少なくとも１つを通して前記通信相手へ送信することを特徴とする請求項１または２に記載の暗号通信装置。
【請求項５】
暗号通信システムにおける暗号通信装置の通信制御方法であって、
ネットワークに通信相手と接続した複数の異なる物理的に独立な並列経路が構成され、前記複数の異なる物理的に独立な並列経路をそれぞれ通して複数の独立な暗号鍵をそれぞれ暗号化して配付することで前記通信相手と前記複数の独立な暗号鍵を共有して鍵メモリに格納し、
前記通信相手へ送信するメッセージを前記通信相手と共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて多重暗号化し、
前記通信相手から受信した多重暗号化メッセージを前記通信相手と共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて復号する、
ことを特徴とする通信制御方法。
【請求項６】
前記ネットワークは少なくとも１つの中継ノードを含む秘匿通信ネットワークであり、前記複数の異なる物理的に独立な並列経路の各々における隣接ノード間で対応する暗号鍵を順次暗号化して転送することを特徴とする請求項５に記載の通信制御方法。
【請求項７】
前記多重暗号化メッセージを前記複数の異なる物理的に独立な並列経路とは別の通信路を通して前記通信相手へ送信することを特徴とする請求項５または６に記載の通信制御方法。
【請求項８】
前記多重暗号化メッセージを前記複数の異なる物理的に独立な並列経路の少なくとも１つを通して前記通信相手へ送信することを特徴とする請求項５または６に記載の通信制御方法。
【請求項９】
第１ノードと第２ノードとの間で暗号通信を行う暗号通信システムであって、
前記第１ノードと前記第２ノードとの間を複数の異なる物理的に独立な並列経路で接続可能なネットワークを有し、
前記第１ノードおよび前記第２ノードの各々は、前記ネットワークの前記複数の異なる物理的に独立な並列経路をそれぞれ通して複数の独立な暗号鍵をそれぞれ暗号化して配付することで他方のノードと前記複数の独立な暗号鍵を共有するための鍵共有手段を有し、
送信元ノードは、送信先ノードへ送信するメッセージを前記送信先ノードと共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて多重暗号化し、
前記送信元ノードから多重暗号化メッセージを受信した受信ノードは、前記多重暗号化メッセージを前記送信元ノードと共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて復号する、
ことを特徴とする暗号通信システム。
【請求項１０】
前記ネットワークは少なくとも１つの中継ノードを含む秘匿通信ネットワークであることを特徴とする請求項９に記載の暗号通信システム。
【請求項１１】
前記ネットワークの複数の異なる物理的に独立な並列経路の各々における中継ノードは、当該中継ノードの両側の隣接ノードとの間でそれぞれ別個の秘匿通信路を構成することを特徴とする請求項１０に記載の暗号通信システム。
【請求項１２】
前記送信元ノードは、前記多重暗号化メッセージを前記複数の異なる物理的に独立な並列経路とは別の通信路を通して前記受信ノードへ送信することを特徴とする請求項９−１１のいずれか１項に記載の暗号通信システム。
【請求項１３】
前記送信元ノードは、前記多重暗号化メッセージを前記複数の異なる物理的に独立な並列経路の少なくとも１つを通して前記受信ノードへ送信することを特徴とする請求項９−１１のいずれか１項に記載の暗号通信システム。
【請求項１４】
第１ノードと第２ノードとの間で暗号通信を行う暗号通信システムにおける暗号通信方法であって、
前記第１ノードと前記第２ノードとの間をネットワークに構成された複数の異なる物理的に独立な並列経路で接続し、
前記第１ノードおよび前記第２ノードの各々は、前記ネットワークの前記複数の異なる物理的に独立な並列経路をそれぞれ通して複数の独立な暗号鍵をそれぞれ暗号化して配付することで他方のノードと前記複数の独立な暗号鍵を共有し、
送信元ノードは、送信先ノードへ送信するメッセージを前記送信先ノードと共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて多重暗号化し、
前記送信元ノードから多重暗号化メッセージを受信した受信ノードは、前記多重暗号化メッセージを前記送信元ノードと共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて復号する、
ことを特徴とする暗号通信方法。
【請求項１５】
前記ネットワークは少なくとも１つの中継ノードを含む秘匿通信ネットワークであることを特徴とする請求項１４に記載の暗号通信方法。
【請求項１６】
前記ネットワークの複数の異なる物理的に独立な並列経路の各々における中継ノードは、当該中継ノードの両側の隣接ノードとの間でそれぞれ別個の秘匿通信路を構成することを特徴とする請求項１５に記載の暗号通信方法。
【請求項１７】
暗号通信システムにおける暗号通信装置のプログラム制御プロセッサを機能させるプログラムであって、
鍵共有手段が、ネットワークに通信相手と接続した複数の異なる物理的に独立な並列経路を構成し、前記複数の異なる物理的に独立な並列経路をそれぞれ通して複数の独立な暗号鍵をそれぞれ暗号化して配付することで前記通信相手と前記複数の独立な暗号鍵を共有して鍵メモリに格納し、
多重暗号化手段が前記通信相手へ送信するメッセージを前記通信相手と共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて多重暗号化し、
復号手段が前記通信相手から受信した多重暗号化メッセージを前記通信相手と共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて復号する、
ように前記プログラム制御プロセッサを機能させることを特徴とするプログラム。
【請求項１８】
前記ネットワークは少なくとも１つの中継ノードを含む秘匿通信ネットワークであり、前記複数の異なる物理的に独立な並列経路の各々における隣接ノード間で対応する暗号鍵を順次暗号化して転送し、前記隣接ノード間での前記暗号鍵の暗号化に用いられるノード間暗号鍵は量子暗号鍵配付により共有されることを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の暗号通信装置。
【請求項１９】
前記ネットワークは少なくとも１つの中継ノードを含む秘匿通信ネットワークであり、前記複数の異なる物理的に独立な並列経路の各々における隣接ノード間で対応する暗号鍵を順次暗号化して転送し、前記隣接ノード間での前記暗号鍵の暗号化に用いられるノード間暗号鍵は量子暗号鍵配付により共有されることを特徴とする請求項５−８のいずれか１項に記載の通信制御方法。
【請求項２０】
前記ネットワークは少なくとも１つの中継ノードを含む秘匿通信ネットワークであり、前記複数の異なる物理的に独立な並列経路の各々における隣接ノード間で対応する暗号鍵を順次暗号化して転送し、前記隣接ノード間での前記暗号鍵の暗号化に用いられるノード間暗号鍵は量子暗号鍵配付により共有されることを特徴とする請求項９−１３のいずれか１項に記載の暗号通信システム。
【請求項２１】
前記ネットワークは少なくとも１つの中継ノードを含む秘匿通信ネットワークであり、前記複数の異なる物理的に独立な並列経路の各々における隣接ノード間で対応する暗号鍵を順次暗号化して転送し、前記隣接ノード間での前記暗号鍵の暗号化に用いられるノード間暗号鍵は量子暗号鍵配付により共有されることを特徴とする請求項１４−１６のいずれか１項に記載の暗号通信方法。
【請求項２２】
前記ネットワークは少なくとも１つの中継ノードを含む秘匿通信ネットワークであり、前記複数の異なる物理的に独立な並列経路の各々における隣接ノード間で対応する暗号鍵を順次暗号化して転送し、前記隣接ノード間での前記暗号鍵の暗号化に用いられるノード間暗号鍵は量子暗号鍵配付により共有されることを特徴とする請求項１７に記載のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は暗号通信システムに係り、特に安全性劣化を回避する暗号通信装置および暗号通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
急激な成長を続けるインターネットは、便利である反面、その安全性に大きな不安を抱えており、通信の秘密保持のために暗号技術の必要性が高まっている。現在一般的に用いられている暗号方式は、DES(Data Encryption Standard)やTriple DESといった秘密鍵暗号と、RSA(Rivest Shamir Adleman)や楕円曲線暗号の様な公開鍵暗号に分類される。しかしながら、これらは「計算の複雑性」に依存して安全性を保証する暗号通信方法であり、膨大な計算量を処理可能なコンピュータや暗号解読アルゴリズムの出現によって解読されてしまう危険性を常に孕んでいる。こういった背景の下、量子暗号鍵配付システム(ＱＫＤ)は、「絶対に盗聴されない」暗号鍵配付技術として注目されている。
【０００３】
ＱＫＤでは一般に通信媒体として光子を使用し、その偏光、位相等の量子状態に情報を載せて伝送を行う。伝送路の盗聴者は伝送中の光子をタッピングする等して情報を盗み見るが、Heisenbergの不確定性原理により、一度観測されてしまった光子を完全に観測前の量子状態に戻すことは不可能となり、このことによって正規の受信者が検出する受信データの統計値に変化が生じる。この変化を検出することにより受信者は伝送路における盗聴者を検出することができる。
【０００４】
光子の位相を利用した量子暗号鍵配付方法の場合、送信者と受信者（以下、それぞれAliceとBobと記す。）により光学干渉計を組織し、各々の光子にAlice及びBobでそれぞれランダムに位相変調を施す。この変調位相深さの差によって０あるいは１の出力が得られ、その後、出力データを測定したときの条件の一部分をAliceとBobとの間で照合することによって最終的にAlice-Bob間で同一ビット列を共有することができる。
【０００５】
図１３は量子鍵配付方法を利用した暗号通信システムの一例を示すブロック図である。Alice側の量子暗号通信部ＱとBob側の量子暗号通信部Ｑとが光伝送路により接続されているものとする。Alice側の量子暗号通信部Ｑは量子鍵送信部９０１、鍵生成制御部９０２、鍵メモリ９０３および暗号化通信部９０７を有し、鍵メモリ９０３には、後述する鍵の素、生鍵、選別鍵および暗号鍵が格納される。Bob側の量子暗号通信部Ｑは量子鍵受信部９０４、鍵生成制御部９０５、鍵メモリ９０６および暗号化通信部９０８を有し、鍵メモリ９０６には、後述する生鍵、選別鍵および暗号鍵が格納される。ここでAlice側の量子暗号通信部ＱとBob側の量子暗号通信部Ｑとは単一方向型・往復型を問わない。鍵メモリ９０３および９０６において共有された暗号鍵をそれぞれ用いて、暗号化通信部９０７と暗号化通信部９０８の間で、同じ光伝送路の別チャネルあるいは別個の伝送路やネットワークを通して暗号化通信を行うことができる。
【０００６】
次に、図１４を参照して、一般的な量子暗号鍵生成のフローについて説明する。Alice側の量子鍵送信部９０１は、暗号鍵の原乱数（鍵の素）によりランダムに位相変調された単一光子レベルの微弱光を光ファイバＦへ送出し、それをBob側の量子鍵受信部９０４が受信するが、この単一光子伝送Ｓ９１０によって大部分の情報量が失われる。この段階でAliceとBobで共有されている鍵を生鍵(Raw Key)と呼ぶ。Alice側およびBob側の鍵生成制御部９０２および９０５は、通常の光通信により生鍵に対して基底照合Ｓ９１１、誤り訂正(Error Correction)Ｓ９１２および秘匿増強(Privacy Amplification)Ｓ９１３を順次実行する。生鍵に対して基底照合Ｓ９１１を行うことで半減した暗号鍵を選別鍵(Sifted Key)と呼ぶ。この後、量子鍵配付段階Ｓ９１０で混入した誤りを訂正する誤り訂正過程Ｓ９１２と、盗聴者に漏れていると想定され得る情報量を篩い落とす秘匿増強過程Ｓ９１３を経て、残りが実際に暗号鍵として使用される最終鍵（暗号鍵）となる。
【０００７】
上記の様にＱＫＤ技術では単一光子状態にまで強度を弱めた光信号を媒体として乱数共有を行うため、盗聴行為を防止しつつ暗号鍵を配付することができる反面、伝送路の損失によって暗号鍵を生成する速度が律速されてしまう。さらに、秘匿増強過程において単一光子伝送時の誤り率を元に盗聴者に漏れていると想定され得る情報量を篩い落とすため、誤り率が高くなる長距離伝送時には安全な暗号鍵が共有できなくなる。
【０００８】
たとえば、非特許文献１によれば、暗号鍵共有時の誤り率と安全な暗号鍵を生成できる速度Ｒとの間には次式で示されるような関係がある。
【０００９】
R > 1 - H(ex) - H(ez)
ここで、exはビット誤り率、ezは位相誤り率、H(e)＝-e・log2e - (1-e)・log2(1-e)はバイナリシャノンエントロピーである。上式のH(ex)に関する項は誤り訂正過程で消失する情報量、H(ez)に関する項は秘匿増強過程で破棄する情報量に対応する。この様に誤り率から計算される情報量の２倍程度の情報量を削減した結果が、安全な暗号鍵を生成できる速度となる。
【００１０】
図１５に伝送距離に対する暗号鍵の生成速度の変化の一例を示す。図中の破線は生鍵を共有できる速度、実線は安全な最終鍵を共有できる速度を表す。伝送距離が長くなるにつれて伝送損失も大きくなるため、生鍵の生成速度は劣化していく。伝送距離が短く伝送損失も小さい状態では誤り率も低いため、誤り訂正及び秘匿増強過程で消失する情報量が少なく最終鍵生成速度は生鍵のそれとさほど変わらない。これに対して、伝送損失が大きくなり誤り率が高くなると、最終鍵生成速度は生鍵生成速度から大きく乖離し、特定の閾値距離を超えると暗号鍵生成が行えなくなる。この様なＱＫＤ技術の距離制限を克服するために量子中継技術の研究開発が広く行われているが、実用化には更なるブレークスルーが必要である。
【００１１】
一方、現時点で比較的容易に利用できる技術として、信頼できる中継局を用いて長距離の暗号化通信ネットワークを構築する技術が非特許文献２に開示されている。非特許文献２には、次の２つの中継方式が示されている。
【００１２】
第１の中継方式では、図１６に示すように、送信元サイト１でメッセージＭを暗号化した暗号鍵Ｋ１を中継サイトごとに復号／暗号化しつつ中継して送信先サイト４まで送信する。暗号化されたメッセージＭは別のネットワークを介して宛先サイト４へ送信される。この中継方式は、End-to-Endで暗号鍵Ｋ１を共有して暗号化通信を行う方式であり、以下、暗号鍵中継方式という。
【００１３】
第２の中継方式では、図１７に示すように、メッセージＭを送信元サイト１および中継サイト２，３ごとに順次暗号化／復号しつつ中継して送信先サイト４まで送信する。この中継方式は、暗号化通信したいメッセージＭに対して各中継ノードで復号／暗号化を繰り返す方式であり、以下、反復暗号中継方式という。
【００１４】
また、特許文献１には暗号鍵の秘匿性を維持するための中継装置が開示されている。この中継装置では、接続している端末と送信先の中継装置の暗号鍵をそれぞれ取得して保持しておき、端末からの情報を対応する暗号鍵を用いて平文化し、それを送信先の中継装置の暗号鍵で暗号化して送信する。
【００１５】
特許文献２には、共有する乱数および秘密情報を用いて認証情報を二重に暗号化して送信することで認証方法自体の安全性を向上させる認証方法が開示されており、また中継局を介して認証システムも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００１−２３７８２４号公報
【特許文献２】特開平１０−２１００２３号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】D. Gottesman, H.-K. Lo, N. Luetkenhaus, and J. Preskill, “Security of quantum key distribution with imperfect devices,” Quant. Inf. Comput., vol. 4, no. 5, pp.325-360, Sep. 2004.
【非特許文献２】C. Elliot, “Building the quantum network,” New J. Phys. vol. 4, 46, July 2002.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、非特許文献２に開示されている暗号鍵中継方式および反復暗号中継方式のいずれも、信頼できる中継局の存在を仮定した上でその安全性を保証している。したがって、中継局の信頼性が失われると暗号化通信の安全性は損なわれてしまう。盗聴者は中継局に対して攻撃を仕掛けて１つでも攻撃が成功すると、反復暗号中継方式の場合には復号されたメッセージを入手することができ、暗号鍵中継方式の場合には暗号鍵を入手できるため結果的に暗号化されたメッセージを解読することができる。
【００１９】
また、特許文献１および２に開示されたシステムも、中継局が信頼できるという前提でそれぞれ効果を奏するのであり、中継局の信頼性が失われると暗号化通信の安全性は損なわれてしまう。
【００２０】
本発明の目的は、中継局の信頼性劣化に対して暗号化通信の安全性劣化を抑制することができる暗号通信システム、暗号通信方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明による暗号通信装置は、ネットワークに通信相手と接続した複数の異なる物理的に独立な並列経路を構成し、前記複数の異なる物理的に独立な並列経路をそれぞれ通して複数の独立な暗号鍵をそれぞれ暗号化して配付することで前記通信相手と前記複数の独立な暗号鍵を共有するための鍵共有手段と、前記通信相手へ送信するメッセージを前記通信相手と共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて多重暗号化し、前記通信相手から受信した多重暗号化メッセージを前記通信相手と共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて復号する暗号通信手段と、を有することを特徴とする。
【００２２】
本発明による暗号通信装置の通信制御方法は、ネットワークに通信相手と接続した複数の異なる物理的に独立な並列経路が構成され、前記複数の異なる物理的に独立な並列経路をそれぞれ通して複数の独立な暗号鍵をそれぞれ暗号化して配付することで前記通信相手と前記複数の独立な暗号鍵を共有して鍵メモリに格納し、前記通信相手へ送信するメッセージを前記通信相手と共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて多重暗号化し、前記通信相手から受信した多重暗号化メッセージを前記通信相手と共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて復号する、ことを特徴とする。
【００２３】
本発明による、第１ノードと第２ノードとの間で暗号通信を行う暗号通信システムは、前記第１ノードと前記第２ノードとの間を複数の異なる物理的に独立な並列経路で接続可能なネットワークを有し、前記第１ノードおよび前記第２ノードの各々は、前記ネットワークの前記複数の異なる物理的に独立な並列経路をそれぞれ通して複数の独立な暗号鍵をそれぞれ暗号化して配付することで他方のノードと前記複数の独立な暗号鍵を共有するための鍵共有手段を有し、送信元ノードは、送信先ノードへ送信するメッセージを前記送信先ノードと共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて多重暗号化し、前記送信元ノードから多重暗号化メッセージを受信した受信ノードは、前記多重暗号化メッセージを前記送信元ノードと共有した前記複数の独立な暗号鍵を用いて復号する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、中継局の信頼性劣化に対して暗号化通信の安全性劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（Ａ）は本発明の第１実施形態による暗号通信システムの概略的構成を示すネットワーク図、（Ｂ）は本発明の第２実施形態による暗号通信システムの概略的構成を示すネットワーク図である。
【図２】（Ａ）は本発明の第１実施形態による暗号通信システムにおける秘匿通信ネットワークの一例を示すネットワーク図、（Ｂ）は本発明の第１実施形態による暗号通信システムにおける秘匿通信ネットワークの他の例を示すネットワーク図である。
【図３】本発明の第１実施例による暗号通信システムを示すブロック図である。
【図４】図３に示す暗号通信システムにおける送信元サイト（ａ）、隣接サイト（ｂ）および通過サイト（ｃ）のそれぞれの動作を説明するための模式的構成図である。
【図５】図３に示す暗号通信システムにおける送信先サイトの動作を説明するための模式的構成図である。
【図６】図３に示す暗号通信システムにおける各サイトでの動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第２実施例による暗号通信システムを示すブロック図である。
【図８】本発明の第３実施例による暗号通信システムを示すブロック図である。
【図９】図８に示す暗号通信システムにおける送信元サイト（ａ）、送信先サイト（ｂ）および通過サイト（ｃ）のそれぞれの動作を説明するための模式的構成図である。
【図１０】図８に示す暗号通信システムにおける各サイトでの動作を示すフローチャートである。
【図１１】（Ａ）は本発明の第２実施形態による暗号通信システムにおける秘匿通信ネットワークの一例を示すネットワーク図、（Ｂ）は本発明の第２実施形態による暗号通信システムにおける秘匿通信ネットワークの他の例を示すネットワーク図である。
【図１２】本発明の第４実施例による暗号通信システムを示すブロック図である。
【図１３】量子鍵配付方法を利用した暗号通信システムの一例を示すブロック図である。
【図１４】量子暗号鍵配付における暗号鍵生成フローを表す模式図である。
【図１５】量子暗号鍵配付において安全な鍵を共有できる速度を示すグラフである。
【図１６】暗号鍵中継方式の暗号化通信システムを示すブロック図である。
【図１７】反復暗号中継方式の暗号化通信システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
１．システムの概略
図１（Ａ）に示すように、本発明の第１実施形態による暗号通信システムは、送信元ノード１０と送信先ノード２０とがネットワーク３０にそれぞれ接続されているものとする。ネットワーク３０の形態は限定されないが、秘匿通信機能を有することが望ましい。たとえば、上述した量子鍵配付（ＱＫＤ）技術などを利用した暗号鍵共有手段を有するノードからなるネットワークであることが特に望ましい。
【００２７】
送信元ノード１０と送信先ノード２０とは、ネットワーク３０における複数の異なる経路で接続され、それらを通して複数（ｎ個）の暗号鍵ｋ１−ｋｎが送信元ノード１０から送信先ノード２０へ送信される。また、送信元ノード１０は、暗号鍵ｋ１−ｋｎを用いて送信メッセージを多重暗号化し、多重暗号化メッセージをネットワーク３０あるいは別のネットワークを通して、送信先ノード２０へ送信する。送信先ノード２０は、ネットワーク３０の複数の経路を通して受信した暗号鍵ｋ１−ｋｎを用いて、送信元ノード１０から受信した多重暗号化メッセージを復号する。第１実施形態によれば、多重暗号化メッセージを転送するネットワークが限定されないので、たとえば既存の公衆網などを利用できるという利点がある。
【００２８】
図１（Ｂ）に示すように、本発明の第２実施形態による暗号通信システムにおいても、送信元ノード１０と送信先ノード２０とがネットワーク３０にそれぞれ接続され、ネットワーク３０は、上述したような暗号鍵共有手段を有するノードからなるネットワークであることが特に望ましい。
【００２９】
送信元ノード１０と送信先ノード２０とは、ネットワーク３０における複数の異なる経路で接続され、複数（ｎ個）の暗号鍵ｋ１−ｋｎとこれらの暗号鍵で多重暗号化されたメッセージとを複数の経路を通して送信先ノード２０へ送信することができる。送信先ノード２０は、ネットワーク３０を通して受信した暗号鍵ｋ１−ｋｎと多重暗号化メッセージとから元のメッセージを復号する。第２実施形態によれば、多重暗号化メッセージを秘匿通信経路を通して送信することで更に高い秘匿性を得ることができるという利点がある。
【００３０】
このように、本発明によれば、暗号化メッセージの送信元から送信先まで複数の経路を介して暗号鍵を共有し、これらの複数の暗号鍵を使用してメッセージを多重暗号化して送信するので、暗号化通信路を中継して通信距離の延長を行うシステムであっても中継ノードの信頼性劣化に対して暗号化通信の安全性劣化を抑制できる。すなわち、複数の中継ノードの安全性が同時に損なわれない限り、盗聴者が暗号化メッセージを復号することは不可能になり、暗号化通信の安全性は確保される。
【００３１】
２．第１実施形態
図１（Ａ）に示す第１実施形態におけるネットワーク３０は、上述したように秘匿通信ネットワークであることが望ましいが、そのトポロジはリング型、スター型のいずれでもよい。
【００３２】
図２（Ａ）に示すリング型ネットワークにおいて、例えばノードＮ１が送信元、ノードＮ３が送信先とする。送信元ノードＮ１は、２つの暗号鍵k1およびk2を用いてメッセージMを多重暗号化し、多重暗号化メッセージk1k2(M)をリングネットワークあるいは図示しない別のネットワークを通して送信先のノードＮ３へ送信すると共に、暗号鍵k1およびk2をそれぞれノード間で順次暗号化し反対回りで送信先ノードＮ３へ送信する。したがって、暗号鍵k1およびk2と多重暗号化メッセージk1k2(M)とを受信したノードＮ３のみが元のメッセージMを復号できる。ネットワーク３０の隣接ノード間で共有される暗号鍵を更新可能にすれば、高い秘匿性を維持して暗号鍵を送付先へ送信することができる。たとえば、ＱＫＤ技術によって生成した暗号鍵を、解読不可能なことが証明されているワンタイムパッド（ＯＴＰ：One-Time-Pad）暗号に使用することで、絶対安全な暗号通信を提供することができる。ワンタイムパッド暗号により暗号化通信を行うと、暗号鍵はデータと同じ容量分だけ消費され、しかも一回限りで必ず使い捨てされる。
【００３３】
図２（Ｂ）に示すスター型ネットワークにおいても同様である。ここではノートＮ１を中心としてノードＮ２−Ｎ４が接続され、これらノードＮ２−Ｎ４はさらに別のノードＮ５と接続されている。各ノードＮ２−Ｎ４はノードＮ１および／またはＮ５を介して他の任意のノードへ情報を送信可能である。
【００３４】
ノードＮ２を送信元、ノードＮ４を送信先とすれば、送信元ノードＮ２は、２つの暗号鍵k1およびk2を用いてメッセージMを多重暗号化し、多重暗号化メッセージk1k2(M)をノードＮ１あるいはＮ５または別のネットワークを通して送信先のノードＮ４へ送信すると共に、暗号鍵k1およびk2をそれぞれ別ノードＮ１、Ｎ５を介して秘匿状態で送信先ノードＮ４へ送信する。したがって、暗号鍵k1およびk2と多重暗号化メッセージk1k2(M)とを受信したノードＮ４のみが元のメッセージMを復号できる。ネットワーク３０の隣接ノード間で共有される暗号鍵を上述したようにワンタイムパッド暗号に使用することで高い秘匿性を維持して暗号鍵や多重暗号化メッセージを送信先ノードへ転送することができる。
【００３５】
２．１）第１実施例
本発明の第１実施例として、図２（Ａ）に示す暗号鍵中継方式を採用したリング型の秘匿通信ネットワークの場合を説明する。ここでは、暗号鍵を中継する際やメッセージを暗号化する際にワンタイムパッド暗号を用いるものとする。また、送信元と送信先のサイト間で暗号鍵を共有するための暗号鍵共有手段は、ＱＫＤによる隣接サイト間での秘密鍵共有手法を利用するものとする。ただし、ＱＫＤ技術に限定されるものではなく、それ以外の秘密鍵共有手法を利用することもできる。
【００３６】
ａ）構成
図３に示すように、サイト１１−１６が光伝送路１７１−１７６によりそれぞれ接続されてリング型ネットワークを構成している。ここでは、サイト１１が送信元ノード、サイト１６が送信先ノードであり、サイト１１とサイト１６とがサイト１２および１３を中継ノードとする第１経路と、サイト１４および１５を中継ノードとする第２経路とによって接続されているものとする。サイト１１−１６はそれぞれ基本的に同じ構成を有し、図示されていない別のネットワークに接続されていてもよい。
【００３７】
サイト１１は、量子暗号通信器１１１および１１２と多重暗号化部１１３とを有する。量子暗号通信器１１１は光伝送路１７１を介して隣接するサイト１２の量子暗号通信器１２１と接続され、上述したように（図１３参照）、サイト１１と１２との間で共有される暗号鍵K11を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。同様に、量子暗号通信器１１２は光伝送路１７３を介して隣接するサイト１４の量子暗号通信器１４１と接続され、サイト１１と１４との間で共有される暗号鍵K13を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。多重暗号化部１１３は、暗号鍵K11と暗号鍵K13と送信すべきメッセージMとの排他的論理和を計算することでメッセージMを多重暗号化し、第１経路、第２経路あるいは図示しない別のネットワークを通して送信先サイト１６へ送信する。
【００３８】
サイト１２は、量子暗号通信器１２１および１２２と暗号化通信部（図示せず）とを有する。量子暗号通信器１２１は、上述したようにサイト１１の量子暗号通信器１１１と協働してサイト１１と１２との間で共有される暗号鍵K11を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。同様に、量子暗号通信器１２２は光伝送路１７２を介してサイト１３の量子暗号通信器１３１と接続され、上述したようにサイト１２と１３との間で共有される暗号鍵K12を生成して鍵メモリに格納している。暗号化通信部は、暗号鍵K11と暗号鍵K12との排他的論理和を計算することで暗号鍵K11を暗号化しサイト１３へ送信する。
【００３９】
サイト１３は、量子暗号通信器１３１および１３２と暗号化通信部（図示せず）とを有する。量子暗号通信器１３１は、上述したようにサイト１２の量子暗号通信器１２１と協働してサイト１２と１３との間で共有される暗号鍵K12を生成して鍵メモリ（図示せず。）に格納している。同様に、量子暗号通信器１３２は光伝送路１７５を介してサイト１６の量子暗号通信器１６１と接続され、上述したようにサイト１３と１６との間で共有される暗号鍵K15を生成して鍵メモリに格納している。暗号化通信部は、サイト１２と共有している暗号鍵K12とサイト１２から受信した暗号化された暗号鍵K11との排他的論理和を計算することで暗号鍵K11を復号し、続いてその暗号鍵K11と暗号鍵K15との排他的論理和を計算することで暗号鍵K11を暗号化し送信先サイト１６へ送信する。
【００４０】
サイト１４およびサイト１５は、上述したサイト１２およびサイト１３と基本的の同様の構成および機能を有する。すなわち、サイト１４は、量子暗号通信器１４１および１４２と暗号化通信部（図示せず）とを有し、量子暗号通信器１４２は光伝送路１７４を介してサイト１５の量子暗号通信器１５１と接続され、上述したようにサイト１４と１５との間で共有される暗号鍵K14を生成して鍵メモリに格納している。暗号化通信部は、暗号鍵K13と暗号鍵K14との排他的論理和を計算することで暗号鍵K13を暗号化しサイト１５へ送信する。サイト１５は、量子暗号通信器１５１および１５２と暗号化通信部（図示せず）とを有し、暗号化通信部は、サイト１４と共有している暗号鍵K14を用いてサイト１４から受信した暗号鍵K13を復号し、続いてその暗号鍵K13とサイト１６と共有した暗号鍵K16との排他的論理和を計算することで暗号鍵K13を暗号化し送信先サイト１６へ送信する。
【００４１】
サイト１６は、量子暗号通信器１６１および１６２と多重復号部１６３と暗号通信部（図示せず）とを有する。量子暗号通信器１６１は、上述したようにサイト１３の量子暗号通信器１３２と協働してサイト１３と１６との間で共有される暗号鍵K15を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。同様に量子暗号通信器１６２は、上述したようにサイト１５の量子暗号通信器１５２と協働してサイト１５と１６との間で共有される暗号鍵K16を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。暗号化通信部は、サイト１３と共有している暗号鍵K15とサイト１２から受信した暗号化された暗号鍵K11との排他的論理和を計算することで暗号鍵K11を復号し、多重復号部１６３へ出力する。さらに、暗号化通信部は、サイト１５と共有している暗号鍵K16とサイト１５から受信した暗号化された暗号鍵K13との排他的論理和を計算することで暗号鍵K13を復号し、多重復号部１６３へ出力する。多重復号部１６３は、これら復号された暗号鍵K11と暗号鍵K13とを用いて、サイト１１において暗号鍵K11と暗号鍵K13とにより多重暗号化されたメッセージMを復号する。
【００４２】
なお、図３では、送信元サイト１１と送信先サイト１６とを別個に図示しているが、１つのサイトに暗号通信手段として多重暗号化部１１３と多重復号部１６３とが設けられ、メッセージの送受信を行うことができる。以下の実施例においても同様である。
【００４３】
ｂ）動作
図３に示すリング型ネットワーク全体の制御を行うコントローラを準備することで、上記の各サイトでの暗号化／復号動作を制御することができるが、各サイトで図３に示すネットワークを分散的に管理することも可能である。以下、図４−図６を参照しながら、分散管理による各サイトの動作について説明する。
【００４４】
図４および図５では、リング型ネットワークを構成する各サイトの基本的機能構成のみを図示している。たとえば、図４（ａ）に示すサイトでは量子暗号通信器１０１および１０３と排他的論理和を演算する演算器１０２とが示されており、他の図４（ｂ）および（ｃ）、図５においても同様であるから、以下同じ参照番号を使用する。なお、各サイトには、図示されていない制御部が設けられており、制御部が図６に示す制御フローに従って量子暗号通信器１０１および１０３と演算器１０２との動作を制御する。なお、制御部と同等の機能は、CPU(Central Processing Unit)等のプログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行することにより実現することもできる。
【００４５】
まず、図４（ａ）はメッセージを送りたい送信元サイト１０Ａを示す（図６のＳ２０１）。送信元サイト１０Ａは、量子暗号通信器１０１が対向ノードと暗号鍵KAlを共有し、量子暗号通信器１０３が対向ノードと暗号鍵KArを共有している。
【００４６】
送信元サイト１０Ａは、この場合、メッセージMの発信元であるから（図６のＳ２０２：ＹＥＳ）、制御部は、量子暗号通信器１０１および１０３のそれぞれの接続先であるサイトに対して鍵リレー要求と送信先サイトのアドレスとを通知する（図６のＳ２０３）。同時に、制御部の制御下で、演算器１０２はメッセージMと暗号鍵KAlとKArとの排他的論理和を計算することで多重暗号化メッセージ (M.EXOR.KAl.EXOR.KAr)を生成し、送信先サイトへ送信する（図６のＳ２０４）。
【００４７】
図４（ｂ）は送信元サイト１０Ａの両隣に位置するサイト１０Ｂを示す。したがって、量子暗号通信器１０１および１０３のどちらかの接続先は送信元サイト１０Ａである。ここでは、量子暗号通信器１０１の接続先が送信元サイト１０Ａであるとする。量子暗号通信器１０１および１０３は、上述したように、それぞれの接続先の装置と暗号鍵KBl(=KAr)、暗号鍵KBrを共有する。
【００４８】
サイト１０Ｂが送信元サイト１０Ａより鍵リレー要求を受信すると（図６のＳ２０１）、制御部は、サイト１０Ｂが送信元でも送信先でもないので（図６のＳ２０２：ＮＯ、Ｓ２０５：ＹＥＳ、Ｓ２０６：ＮＯ）、演算器１０２によって暗号鍵KBl(=KAr)とKBrとの排他的論理和を計算させ、その計算結果KBl.EXOR.KBr（以下、KAr.EXOR.KBrと記す。）を量子暗号通信器１０３から隣接サイトへ送信する（図６のＳ２１１）。同様に、サイト１０Ｂの量子暗号通信器１０３の接続先が送信元サイト１０Ａであれば、演算器１０２が暗号鍵KBr(=KA1)とKB1との排他的論理和を計算させ、その計算結果KBr.EXOR.KB1（以下、KA1.EXOR.KB1と記す。）を量子暗号通信器１０１から隣接サイトへ送信する。
【００４９】
図４（ｃ）は送信元サイトに隣接もせず、送信先サイトでもない通過サイト１０Ｃを示す。量子暗号通信器１０１および１０３は、上述したように、それぞれの接続先の装置と暗号鍵KCl、KCrを共有する。サイト１０Ｃが隣接サイトからKAr.EXOR.KCr（あるいはKA1.EXOR.KC1）を受信すると（図６のＳ２０１）、制御部は、サイト１０Ｃが送信元でも送信先でもないので（図６のＳ２０２：ＮＯ、Ｓ２０５：ＮＯ、Ｓ２０９：ＮＯ）、演算器１０２にKAr.EXOR.KCr（あるいはKA1.EXOR.KC1）と暗号鍵KCr（あるいはKCl）との排他的論理和を計算させることでKAr（あるいはKA1）を復号し、その復号結果と暗号鍵KCl（あるいはKCr）との排他的論理和を更に計算することで、その計算結果KA1.EXOR.KCr（あるいはKAr.EXOR.KC1）を隣接サイトへ送信する（図６のＳ２０８）。
【００５０】
図５（ａ）は送信先サイト１０Ｄが送信元サイト１０Ａに隣接する場合を示す。ここでは量子暗号通信器１０１が送信元サイト１０Ａと接続しているものとする。したがって、量子暗号通信器１０１および１０３は、上述したように、それぞれの接続先の装置と暗号鍵KDl(=KAr)、KDrを共有する。
【００５１】
サイト１０Ｄが送信元サイト１０Ａより鍵リレー要求を受信すると（図６のＳ２０１）、制御部は、サイト１０Ｄが送信元ではなく送信先であるから（図６のＳ２０２：ＮＯ、Ｓ２０５：ＹＥＳ、Ｓ２０６：ＹＥＳ）、演算器１０２に逆回りで受信したKA1.EXOR.KDrと暗号鍵KDlとの排他的論理和を計算させることで暗号鍵KA1を復号する。さらに、演算器１０２は、送信元サイト１０Ａから受信した多重暗号化メッセージ (M.EXOR.KAl.EXOR.KAr)と、暗号鍵KDl(=KAr)と、復号した暗号鍵KA1との排他的論理和を計算することで、元のメッセージMを復号する（図６のＳ２０７）。
【００５２】
図５（ｂ）は送信先サイト１０Ｅが送信元サイト１０Ａに隣接していない場合を示す。したがって、量子暗号通信器１０１および１０３は、上述したように、それぞれの接続先の装置と暗号鍵KEl、KErを共有する。サイト１０Ｅが隣接サイトからKA1.EXOR.KD1およびKAr.EXOR.KDrをそれぞれ受信すると（図６のＳ２０１）、制御部は、サイト１０Ｅが送信元ではなく送信先であるから（図６のＳ２０２：ＮＯ、Ｓ２０５：ＮＯ、Ｓ２０９：ＹＥＳ）、演算器１０２にKA1.EXOR.KD1およびKAr.EXOR.KDrと暗号鍵KD1およびKDrとの排他的論理和をそれぞれ計算させることで暗号鍵KA1およびKArを復号する。さらに、演算器１０２は、送信元サイト１０Ａから受信した多重暗号化メッセージ (M.EXOR.KAl.EXOR.KAr)と、復号により得られた暗号鍵KA1およびKArとの排他的論理和を計算することで、元のメッセージMを復号する（図６のＳ２１０）。
【００５３】
ｃ）効果
上述したように、本発明の第１実施例によれば、図３に示すような中継サイト１２−１５のいずれか１つの信頼性が損なわれても、送信元サイト１１と送信先サイト１４との間の暗号化通信の安全性は確保される。その理由は、例えばサイト１２若しくは１３に対する攻撃が成功して暗号鍵K11が盗聴者に知られたとしても、メッセージMは暗号鍵K11とK13の双方を用いて暗号化されているため、盗聴者は元のメッセージMを得ることができないためである。
【００５４】
本実施例では、暗号鍵を中継する際やメッセージを暗号化する際に、排他的論理和(EXOR)によるワンタイムパッド暗号を利用したが本発明はこれに限られない。他の共通鍵暗号でもよく、暗号化対象のビット数と暗号鍵のビット数が等しく情報理論的に安全な暗号方法であれば、送信元サイト１１と送信先サイト１４との間の暗号化通信の安全性は確保される。
【００５５】
また、送信元サイト１１と送信先サイト１４との間で暗号鍵の共有を行う経路数も本実施例のように２経路に限られるものではなく、３以上の経路であってもよい。暗号鍵を送付する経路数が多いほど、情報漏洩に対する耐性が高くなる。
【００５６】
多重暗号化メッセージを送信元サイト１１から送信先サイト１４に送信する通信経路も本実施例に限定されるものではない。たとえば伝送路１７１、１７２、１７５からなる第１の経路、伝送路１７３、１７４、１７６からなる第２の経路、あるいは、全く別の通信路や別のネットワークを通して多重暗号化メッセージを転送してもよい。
【００５７】
２．２）第２実施例
本発明の第１実施形態は、図２（Ａ）に示すようにリング型ネットワークだけでなく、図２（Ｂ）に示すようなスター型ネットワークにも適用可能である。図７に、本発明の第２実施例としてスター型ネットワークへの適用例を示す。
【００５８】
図７において、ノート３０１にノード３０２−３０５が接続され、これらノード３０２−３０５はさらに別のノード３０６と接続されている。より詳しくは、ノード３０１には量子暗号通信部３０７−３１０が設けられ、それぞれノード３０２−３０５内の量子暗号通信部（図示せず。）との間で共有の暗号鍵をそれぞれ生成して保持している。同様に、ノード３０６には量子暗号通信部３１５−３１８が設けられ、それぞれノード３０２−３０５内の別の量子暗号通信部（図示せず。）との間で共有の暗号鍵をそれぞれ生成して保持している。ここでは、ノード３０１および３０６が公開鍵基盤(PKI : Public Key Infrastructure)における認証局に似た位置付けとなって暗号鍵の管理を取りまとめる。
【００５９】
ノード３０２とノード３０４との間で暗号鍵K１およびK２による多重暗号化メッセージ(M.EXOR.Kl.EXOR.K2)を送信するには、上述したように、これら暗号鍵K１およびK２をそれぞれ別の経路を通して送信先ノードとの間で共有する。たとえば、ノード３０２の量子暗号通信部（図示せず。）とノード３０１の量子暗号通信部３０７との間の共有鍵K１をノード３０１内で量子暗号通信部３０７から量子暗号通信部３０９へ転送する。続いて、この共有鍵K１をノード３０１の量子暗号通信部３０９とノード３０４の量子暗号通信部（図示せず。）との間の共有鍵を用いて暗号化し、ノード３０４へ送信する。ノード３０４では暗号化に使用された共有鍵を用いて共有鍵K１を復号し、ノード３０２と共有する暗号鍵K１として格納する。暗号鍵K２についても、ノード３０６を経由する点が異なるだけで暗号鍵共有プロセスは同様である。
【００６０】
こうして暗号鍵k1およびk2と多重暗号化メッセージ(M.EXOR.Kl.EXOR.K2)とを受信したノード３０４のみが元のメッセージMを復号できる。ここでは、各ノード間で安全な秘密鍵を共有する手段として量子暗号鍵配付方法を利用したが、他の秘密鍵共有手段を用いてもよい。
【００６１】
２．３）第３実施例
上述した第１実施例（図３）では、送信元サイト１１とその隣接サイトとの間で共有されている暗号鍵を利用して、サイト１２から送信先サイト１６へ暗号鍵K11を、サイト１４から送信先サイト１６へ暗号鍵K13を、それぞれ送信した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、送信元サイトで２系統の乱数を発生し、それらを第１実施例と同様の手順で送信先サイトへ送信することもできる。以下、本発明の第３実施例について、第１実施例と異なる点を主として説明する。
【００６２】
ａ）構成
図８に示すように、サイト５１−５６が光伝送路５７１−５７６によりそれぞれ接続されてリング型ネットワークを構成している。ここでは、サイト５１が送信元ノード、サイト５６が送信先ノードであり、サイト５１とサイト５６とがサイト５２および５３を中継ノードとする第１経路と、サイト５４および５５を中継ノードとする第２経路とによって接続されているものとする。サイト５１−５６はそれぞれ基本的に同じ構成を有し、図示されていない別のネットワークに接続されていてもよい。
【００６３】
サイト５１は、量子暗号通信器５１１および５１２と多重暗号化部５１３と乱数発生器５１４とを有する。乱数発生器５１４は、２系統の乱数として暗号鍵K57と暗号鍵K58とを生成するものとする。
【００６４】
暗号鍵量子暗号通信器５１１は光伝送路５７１を介して隣接するサイト５２の量子暗号通信器５２１と接続され、上述したように（図１３参照）、サイト５１と５２との間で共有される暗号鍵K51を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。同様に、量子暗号通信器５１２は光伝送路５７３を介して隣接するサイト５４の量子暗号通信器５４１と接続され、サイト５１と５４との間で共有される暗号鍵K53を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。多重暗号化部５１３は、暗号鍵K57と暗号鍵K58と送信すべきメッセージMとの排他的論理和を計算することで多重暗号化メッセージ(M.EXOR.K57.EXOR.K58)を生成し、第１経路、第２経路あるいは図示しない別のネットワークを通して送信先サイト５６へ送信する。
【００６５】
サイト５１の量子暗号通信器５１１は、上述したようにサイト５１の量子暗号通信器５１１と協働してサイト５１と５２との間で共有される暗号鍵K51を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。暗号化通信部は、乱数発生器５１４により生成された暗号鍵K57とサイト５２と共有された暗号鍵K51との排他的論理和を計算することで暗号化暗号鍵K57.EXOR.K51をサイト５２へ送信する。
【００６６】
サイト５２は、量子暗号通信器５２２は光伝送路５７２を介してサイト５３の量子暗号通信器５３１と接続され、上述したようにサイト５２と５３との間で共有される暗号鍵K52を生成して鍵メモリに格納している。暗号化通信部は、サイト５１と共有している暗号鍵K51とサイト５１から受信した暗号化暗号鍵K57.EXOR.K51との排他的論理和を計算することで暗号鍵K57を復号し、続いてその暗号鍵K57と暗号鍵K52との排他的論理和を計算することで暗号化暗号鍵K57.EXOR.K52を生成し送信先サイト５３へ送信する。
【００６７】
サイト５３でも同様にして、暗号鍵K52を用いて暗号鍵K57を復号し、続いてその暗号鍵K57と暗号鍵K55との排他的論理和を計算することで暗号化暗号鍵K57.EXOR.K55を生成し送信先サイト５６へ送信する。
【００６８】
サイト５４およびサイト５５は、上述したサイト５２およびサイト５３と同様の手順により、送信元サイト５１の暗号鍵K58を順次暗号化しながら転送し、サイト５５が暗号化暗号鍵K58.EXOR.K56を送信先サイト５６へ送信する。
【００６９】
送信先サイト５６は、量子暗号通信器５６１および５６２と多重復号部５６３と暗号通信部（図示せず）とを有する。量子暗号通信器５６１は、上述したようにサイト５３の量子暗号通信器５３２と協働してサイト５３と５６との間で共有される暗号鍵K55を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。同様に量子暗号通信器５６２は、上述したようにサイト５５の量子暗号通信器５５２と協働してサイト５５と５６との間で共有される暗号鍵K56を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。暗号化通信部は、サイト５３と共有している暗号鍵K55とサイト５３から受信した暗号化暗号鍵K57.EXOR.K55との排他的論理和を計算することで暗号鍵K57を復号し、多重復号部５６３へ出力する。さらに、暗号化通信部は、サイト５５と共有している暗号鍵K56とサイト５５から受信したK58.EXOR.K56との排他的論理和を計算することで暗号鍵K58を復号し、多重復号部５１６３へ出力する。多重復号部５６３は、これら復号された暗号鍵K57と暗号鍵K58とを用いて、サイト５１において暗号鍵K57と暗号鍵K58とにより多重暗号化されたメッセージMを復号する。
【００７０】
ｂ）動作
図８に示すリング型ネットワーク全体の制御を行うコントローラを準備することで、上記の各サイトでの暗号化／復号動作を制御することができるが、各サイトで図８に示すネットワークを分散的に管理することも可能である。以下、図９および図１０を参照しながら、分散管理による各サイトの動作について説明する。
【００７１】
図９では、リング型ネットワークを構成する各サイトの基本的機能構成のみを図示している。たとえば、図９（ａ）に示すサイトでは量子暗号通信器６０１および６０３と排他的論理和を演算する演算器６０２−６０５とが示されており、他の図９（ｂ）および（ｃ）おいても量子暗号通信器６０１および６０３と演算器６０２については同様であるから、以下同じ参照番号を使用する。なお、各サイトには、図示されていない制御部が設けられており、制御部が図１０に示す制御フローに従って量子暗号通信器６０１および６０３と演算器６０２あるいは演算部６０２−６０５の動作を制御する。なお、制御部と同等の機能は、CPU(Central Processing Unit)等のプログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行することにより実現することもできる。
【００７２】
まず、図９（ａ）はメッセージを送りたい送信元サイトを示す（図１０のＳ７０１）。送信元サイトは、量子暗号通信器６０１が対向ノードと暗号鍵KAlを共有し、量子暗号通信器６０３が対向ノードと暗号鍵KArを共有している。
【００７３】
送信元サイトは、この場合、メッセージMの発信元であるから（図１０のＳ７０２：ＹＥＳ）、制御部は、乱数発生器５１４によって２系統の乱数K1およびK2を送信すべき暗号鍵として発生させ、演算器６０４および６０５を制御して暗号化暗号鍵を反対方向に送信する（図１０のＳ７０３)。具体的には、演算器６０４は暗号鍵KAlと暗号鍵K1との排他的論理和を計算し、その計算結果KAl.EXOR.K1を量子暗号通信器６０１から隣接サイトへ送信する。演算器６０５は暗号鍵KArと暗号鍵K2との排他的論理和を計算し、その計算結果KAr.EXOR.K2を量子暗号通信器６０３から隣接サイトへ送信する。
【００７４】
続いて、制御部の制御下で、演算器１０２はメッセージMと暗号鍵KlとK2との排他的論理和を計算することで多重暗号化メッセージ(M.EXOR.Kl.EXOR.K2)を生成し、送信先サイトへ送信する（図１０のＳ７０４）。
【００７５】
図４（ｂ）は送信元サイトでも送信先サイトでもない通過サイトを示す。量子暗号通信器６０１および６０３は、上述したように、それぞれの接続先の装置と暗号鍵KBl、KBrを共有する。通過サイトが隣接サイトからK1.EXOR.KB1（あるいはK2.EXOR.KB1）を受信すると（図１０のＳ７０１）、制御部は、自サイトが送信元でも送信先でもないので（図１０のＳ７０２：ＮＯ、Ｓ７０５：ＮＯ）、演算器６０２にK1.EXOR.KB1（あるいはK2.EXOR.KB1）と暗号鍵KBlとの排他的論理和を計算させることでK1（あるいはK2）を復号し、その復号結果と暗号鍵KBrとの排他的論理和を更に計算することで、その計算結果K1.EXOR.KBr（あるいはK2.EXOR.KBr）を隣接サイトへ送信する（図１０のＳ７０６）。
【００７６】
図４（ｃ）は送信先サイトを示す。量子暗号通信器６０１および６０３は、上述したように、それぞれの接続先の装置と暗号鍵KCl、KCrを共有する。送信先サイトが隣接サイトからK1.EXOR.KC1およびK2.EXOR.KCrをそれぞれ反対方向から受信すると（図１０のＳ７０１）、制御部は、自サイトが送信元ではなく送信先であるから（図１０のＳ７０２：ＮＯ、Ｓ７０５：ＹＥＳ）、演算器６０２にK1.EXOR.KC1およびK2.EXOR.KCrと暗号鍵KClおよびKCrとの排他的論理和をそれぞれ計算させることで暗号鍵K1およびK2を復号する。さらに、演算器６０２は、送信元サイトから受信した多重暗号化メッセージ(M.EXOR.Kl.EXOR.K2)と、復号により得られた暗号鍵K1およびK2との排他的論理和を計算することで、元のメッセージMを復号する（図１０のＳ７０７）。
【００７７】
ｃ）効果
上述したように、本発明の第３実施例によれば、上述した第１実施例と同様の効果を得られるが、さらに、第１実施例と比較して、各中継サイトの動作が一律となり、ネットワーク制御が簡易となる効果も有する。
【００７８】
３．第２実施形態
本発明の第２実施形態において、図１（Ｂ）に示すネットワーク３０はリング型、スター型のいずれでもよい。
【００７９】
図１１（Ａ）に示すリング型ネットワークにおいて、例えばノードＮ１が送信元、ノードＮ３が送信先とする。送信元ノードＮ１は、たとえば暗号鍵k1を用いてメッセージMを暗号化し、暗号化メッセージk1(M)はさらに送信先ノードＮ３までの各ノード間で順次多重暗号化されつつ転送される。同時に送信元ノードＮ１は、暗号鍵k1をノード間で順次暗号化し反対回りで送信先ノードＮ３へ送信する。したがって、暗号鍵k1と多重暗号化メッセージk1(M)とを受信したノードＮ３のみが元のメッセージMを復号できる。ネットワーク３０の隣接ノード間で共有される暗号鍵を更新可能にすれば、高い秘匿性を維持して暗号鍵を送付先へ送信することができる。たとえば、ＱＫＤ技術によって生成した暗号鍵を、解読不可能なことが証明されているワンタイムパッド（ＯＴＰ：One-Time-Pad）暗号に使用することで、絶対安全な暗号通信を提供することができる。ワンタイムパッド暗号により暗号化通信を行うと、暗号鍵はデータと同じ容量分だけ消費され、しかも一回限りで必ず使い捨てされる。
【００８０】
図１１（Ｂ）に示すスター型ネットワークにおいても同様である。ここではノートＮ１を中心としてノードＮ２−Ｎ４が接続され、これらノードＮ２−Ｎ４はさらに別のノードＮ５と接続されている。各ノードＮ２−Ｎ４はノードＮ１および／またはＮ５を介して他の任意のノードへ情報を送信可能である。
【００８１】
ノードＮ２を送信元、ノードＮ４を送信先とすれば、送信元ノードＮ２は、たとえば暗号鍵k1を用いてメッセージMを暗号化し、暗号化メッセージk1(M)はさらにノードＮ５と送信先ノードＮ４までの各ノード間で順次多重暗号化されつつ転送される。同時に、暗号鍵k1は、送信元ノードＮ２から送信先ノードＮ４までの各ノード間で順次暗号化されつつ転送される。したがって、暗号鍵k1と多重暗号化メッセージk1(M)とを受信したノードＮ４のみが元のメッセージMを復号できる。ネットワーク３０の隣接ノード間で共有される暗号鍵を上述したようにワンタイムパッド暗号に使用することで高い秘匿性を維持して暗号鍵や多重暗号化メッセージを送信先ノードへ転送することができる。
【００８２】
３．１）第４実施例
本発明の第４実施例として、図１１（Ａ）に示す反復暗号中継方式を採用したリング型の秘匿通信ネットワークの場合を説明する。ここでは、暗号鍵を中継する際やメッセージを暗号化する際にワンタイムパッド暗号を用いるものとする。また、送信元と送信先のサイト間で暗号鍵を共有するための暗号鍵共有手段は、ＱＫＤによる隣接サイト間での秘密鍵共有手法を利用するものとする。ただし、ＱＫＤ技術に限定されるものではなく、それ以外の秘密鍵共有手法を利用することもできる。
【００８３】
ａ）構成
図１２に示すように、サイト８１−８６が光伝送路８７１−８７６によりそれぞれ接続されてリング型ネットワークを構成している。ここでは、サイト８１が送信元ノード、サイト８６が送信先ノードであり、サイト８１とサイト８６とがサイト８２および８３を中継ノードとする第１経路と、サイト８４および８５を中継ノードとする第２経路とによって接続されているものとする。サイト８１−８６は基本的に同じ構成を有する。
【００８４】
サイト８１は、量子暗号通信器８１１および８１２と多重暗号化部８１３とを有する。量子暗号通信器８１１は光伝送路８７１を介して隣接するサイト８２の量子暗号通信器８２１と接続され、上述したように（図１３参照）、サイト８１と８２との間で共有される暗号鍵K81を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。同様に、量子暗号通信器８１２は光伝送路８７３を介して隣接するサイト８４の量子暗号通信器８４１と接続され、サイト８１と８４との間で共有される暗号鍵K83を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。
【００８５】
サイト８２は、量子暗号通信器８２１および８２２と暗号化通信部（図示せず）とを有する。量子暗号通信器８２１は、上述したようにサイト８１の量子暗号通信器８１１と協働してサイト８１と８２との間で共有される暗号鍵K81を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。同様に、量子暗号通信器８２２は光伝送路８７２を介してサイト８３の量子暗号通信器８３１と接続され、上述したようにサイト８２と８３との間で共有される暗号鍵K82を生成して鍵メモリに格納している。
【００８６】
サイト８３は、量子暗号通信器８３１および８３２と暗号化通信部（図示せず）とを有する。量子暗号通信器８３１は、上述したようにサイト８２の量子暗号通信器８２１と協働してサイト８２と８３との間で共有される暗号鍵K82を生成して鍵メモリ（図示せず。）に格納している。同様に、量子暗号通信器８３２は光伝送路８７５を介してサイト８６の量子暗号通信器８６１と接続され、上述したようにサイト８３と８６との間で共有される暗号鍵K85を生成して鍵メモリに格納している。
【００８７】
サイト８４は、量子暗号通信器８４１および８４２と暗号化通信部（図示せず）とを有する。量子暗号通信器８４１は、上述したようにサイト８１の量子暗号通信器８１２と協働してサイト８１と８４との間で共有される暗号鍵K83を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。同様に、量子暗号通信器８４２は光伝送路８７４を介してサイト８５の量子暗号通信器８５１と接続され、上述したようにサイト８４と８５との間で共有される暗号鍵K84を生成して鍵メモリに格納している。
【００８８】
サイト８５は、量子暗号通信器８５１および８５２と暗号化通信部（図示せず）とを有する。量子暗号通信器８５１は、上述したようにサイト８４の量子暗号通信器８４２と協働してサイト８４と８５との間で共有される暗号鍵K84を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。同様に、量子暗号通信器８５２は光伝送路８７６を介してサイト８６の量子暗号通信器８６２と接続され、上述したようにサイト８５と８６との間で共有される暗号鍵K86を生成して鍵メモリに格納している。
【００８９】
サイト８６は、量子暗号通信器８６１および８６２と多重復号部８６３と暗号通信部（図示せず）とを有する。量子暗号通信器８６１は、上述したようにサイト８３の量子暗号通信器８３２と協働してサイト８３と８６との間で共有される暗号鍵K85を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。同様に量子暗号通信器８６２は、上述したようにサイト８５の量子暗号通信器８５２と協働してサイト８５と８６との間で共有される暗号鍵K86を生成して鍵メモリ（図示せず）に格納している。
【００９０】
ｂ）動作
図１２に示すリング型ネットワーク全体の制御を行うコントローラを準備することで、上記の各サイトでの暗号化／復号動作を制御することができるが、各サイトで図３に示すネットワークを分散的に管理することも可能である。以下、分散管理による各サイトの動作について説明する。なお、各サイトには、図示されていない制御部が設けられており、制御部が次に述べるように動作を制御する。なお、制御部と同等の機能は、CPU(Central Processing Unit)等のプログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行することにより実現することもできる。
【００９１】
まず、送信元サイト８１は隣接サイト８２に対して鍵リレー要求と送信先サイトのアドレスとを通知する。多重暗号化部８１３は、暗号鍵K81と暗号鍵K83と送信すべきメッセージMとの排他的論理和を計算することでメッセージMを多重暗号化し、第１経路あるいは第２経路のいずれかへ送信する。ここでは、多重暗号化メッセージ(M.EXOR.K81.EXOR.K83)は第２経路のサイト８４へ送信されるものとする。
【００９２】
サイト８２は、鍵リレー要求を受信すると、暗号化通信部を制御して暗号鍵K81と暗号鍵K82との排他的論理和を計算することで暗号鍵K81を暗号化し、暗号化暗号鍵(K81.EXOR.K82)をサイト８３へ送信する。
【００９３】
サイト８３の暗号化通信部は、サイト８２と共有している暗号鍵K82とサイト８２から受信した暗号化暗号鍵(K81.EXOR.K82)との排他的論理和を計算することで暗号鍵K81を復号し、続いてその暗号鍵K81と暗号鍵K85との排他的論理和を計算することで暗号鍵K81を暗号化し、暗号化暗号鍵(K81.EXOR.K85)を送信先サイト８６へ送信する。
【００９４】
サイト８４の暗号化通信部は、サイト８１から受信した多重暗号化メッセージ(M.EXOR.K81.EXOR.K83)と、サイト８１と共有した暗号鍵K83との排他的論理和を計算することでM.EXOR.K81を復号し、続いてM.EXOR.K81と暗号鍵K84との排他的論理和を計算することで多重暗号化メッセージ(M.EXOR.K81.EXOR.K84)を生成しサイト８５へ送信する。
【００９５】
サイト８５の暗号化通信部は、サイト８４から受信した多重暗号化メッセージ(M.EXOR.K81.EXOR.K84)と、サイト８４と共有した暗号鍵K84との排他的論理和を計算することでM.EXOR.K81を復号し、続いてM.EXOR.K81と暗号鍵K86との排他的論理和を計算することで多重暗号化メッセージ(M.EXOR.K81.EXOR.K86)を生成し送信先サイト８６へ送信する。
【００９６】
送信先サイト８６の暗号通信部は、サイト８３と共有している暗号鍵K85とサイト８３から受信した暗号化された暗号鍵K81.EXOR.K85との排他的論理和を計算することで暗号鍵K81を復号し、多重復号部８６３へ出力する。多重復号部８６３は、サイト８５と共有している暗号鍵K86と、復号した暗号鍵K81と、サイト８５から受信した多重暗号化メッセージ(M.EXOR.K81.EXOR.K86)との排他的論理和を計算することでメッセージMを復号する。
【００９７】
ｃ）効果
上述したように、本発明の第４実施例によれば、上述した第１実施例と同様の効果を得られるが、さらに、メッセージMが各中継サイトで多重暗号化されつつ送信先サイトまで転送されるので、より秘匿性を高めたメッセージ伝送が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は、たとえば量子暗号鍵配付技術に代表される共通暗号鍵配付技術を用いた高秘匿通信に利用可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１０  送信元ノード
２０  送信先ノード
３０  ネットワーク
１１ 送信元サイト
１２−１３  中継サイト
１４−１５  中継サイト
１６  送信先サイト
１１１，１１２、１２１，１２２、１３１，１３２、１４１，１４２、１５１，１５２、１６１，１６２  量子暗号通信部
１１３  多重暗号化部
１７１−１７６  光伝送路
１６３  多重復号部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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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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