(57)【要約】【課題】双方向型量子キー配送（ＱＫＤ）システム（１０）において、後方向に散乱された光の不要な検知を抑制するシステムおよび方法を開示する。【解決手段】システムは、異なる波長で光を出射するレーザ源（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，．．）と、２つ以上の単一光子検出器（ＳＰＤ）ユニット（１２８，１３８）と、を有する第１ＱＫＤステーション（ボブ）を備える。双方向型ＱＫＤシステムにおいて、後方向に散乱された光は、典型的には、第１および第２ＱＫＤステーション（ボブおよびアリス）を比較的強い発信光パルス（Ｐｎ’，Ｐｎ”）によって接続している光ファイバリンク（ＦＬ）において生じる。後方向に散乱された光が、第２ＱＫＤステーションから第１ＱＫＤステーションに戻ってくる光パルスの検知と干渉することを防止するために、制御器（６６）は、異なる光源を順次作動する一方、ＳＰＤユニットにおけるＳＰＤのペア（１３０，１４０；１３２，１４２；１３４，１４４）を順次作動する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバを介してＱＫＤシステムの第２ＱＫＤステーションに光連結するよう適合された第１ＱＫＤステーションであって、前記第１ＱＫＤステーションは、
それぞれが発信光パルスを前記光ファイバに送出するよう適合された第１および第２レーザ源であって、前記発信光パルスは、前記第１および前記第２レーザ源に対応する第１および第２波長を有している、前記第１および前記第２レーザ源と、
それぞれが、前記第２ＱＫＤステーションから前記第１ＱＫＤステーションへと戻ってきた弱い受信光パルスとして、前記第１および前記第２波長の光パルスを検出するよう適合された第１および第２単一光子検出器（ＳＰＤ）ユニットと、
前記第１および前記第２レーザ源と前記第１および前記第２ＳＰＤユニットとに、作用可能に連結された制御器と、を備えており、
前記制御器は、対応する前記発信光パルスの第１および第２セットを生成するために、前記第１および前記第２レーザ源を順次、作動・非作動とするよう適合されており、さらに、前記発信光パルスによって前記光ファイバにおいて形成される後方向に散乱される光の量が前記第１および前記第２ＳＰＤユニットにおけるＳＰＤによって検出されることを低減するために、選択的に前記第１および前記第２ＳＰＤユニットの前記ＳＰＤを作動・非作動とするよう適合されている、
第１ＱＫＤステーション。
【請求項２】
前記第１および前記第２ＳＰＤユニットは、それぞれ、
一つのＳＰＤと、
前記一つのＳＰＤの直上流に配置される調整可能光エレメントであって、それぞれの一つのＳＰＤによる異なる波長の光の検知を制御するように、前記制御器に作用可能に連結されている前記調整可能光エレメントと、を有している、
請求項１に記載のステーション。
【請求項３】
前記第１および前記第２ＳＰＤユニットは、前記第１および前記第２波長をそれぞれ検出する専用の、それぞれ第１ＳＰＤ（１３０，１４０）およびそれぞれ第２ＳＰＤ（１３２，１４２）を有している、
請求項１に記載のステーション。
【請求項４】
前記光ファイバへの２つ以上の波長の前記発信光パルスを多重化するよう適合される、マルチプレクサをさらに備える、
請求項１に記載のステーション。
【請求項５】
光ファイバによって連結された第１および第２ＱＫＤステーションを備えるＱＫＤシステムにおいて光パルスを検出する方法であって、
第１波長を有する第１セットの光パルスを、前記第１ＱＫＤステーションから前記第２ＱＫＤステーションへ送信し、
前記光ファイバからの後方向にレイリー散乱された放射の量が、前記第１ＱＫＤステーションにおいて検出されることを低減あるいは防止するために、前記第１セットの光パルスの前記送信を終了し、
第２波長を有する第２セットの光パルスを、前記第１ＱＫＤステーションから前記第２ＱＫＤステーションへ送信する、
方法。
【請求項６】
前記第１セットの光パルスの前記送信を終了し、前記第１セットの光パルスが前記第２ＱＫＤステーションに到達したときの時点あるいはほぼその時点で、前記第２セットの光パルスの前記送信を開始する、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１セットの光パルスの前記送信を終了し、前記第１セットの光パルスが前記第２ＱＫＤステーションから前記第１ＱＫＤステーションへ戻ってくるときの時点あるいはほぼその時点で、前記第２セットの光パルスの前記送信を開始する、
請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記第１ＱＫＤステーションは、それぞれが第１ＳＰＤ（１３０，１４０）および第２ＳＰＤ（１３２，１４２）を有する第１および第２ＳＰＤユニットを備えており、それぞれの前記ＳＰＤユニットの前記第１ＳＰＤにおいて前記第１セットの光パルスからの光パルスを検出し、それぞれの前記ＳＰＤユニットの前記第２ＳＰＤにおいて前記第２セットの光パルスからの光パルスを検出する、
請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記第１ＱＫＤステーションは、それぞれが一つのＳＰＤおよび調整可能光エレメントを有する第１および第２ＳＰＤユニットを備えており、それぞれの前記一つのＳＰＤにおいて、前記第１および前記第２セットの光パルスから光パルスを順次検出するように、前記調整可能光エレメントを調整する、
請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２ＱＫＤステーションから前記第１ＱＫＤステーションへ戻ってきた、前記第２セットの光パルスから弱い光パルスが検出されようとするときの時点あるいはほぼその時点で前記第２セットの光パルスの送信を終了し、
前記第２セットの弱い光パルスを検出するとともに、前記第１波長を有する他の第１セットの光パルスを前記第１ＱＫＤステーションから前記第２ＱＫＤステーションへ送信する、
請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２ＱＫＤステーションから前記第１ＱＫＤステーションへ戻ってきた、前記第２セットの光パルスから弱い光パルスが検出されようとするときの時点あるいはほぼその時点で前記第２セットの光パルスの送信を終了し、
前記第２セットの光パルスからの前記弱い光パルスを検出するとともに、第３波長を有する第３セットの光パルスを前記第１ＱＫＤステーションから前記第２ＱＫＤステーションへ送信する、
請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
光ファイバリンクを介して光連結された第１および第２ＱＫＤステーションを有するＱＫＤシステムにおける後方向へのレイリー散乱を低減する方法であって、
前記光ファイバリンクに光連結された、１つ以上の選択的に作動可能なＳＰＤをそれぞれ含む第１および第２単一光子検出器（ＳＰＤ）ユニットを有する前記第１ＱＫＤステーションにおいて、前記光ファイバリンクへの光パルスのペアの第１および第２セットを多重化し、前記第１および前記第２セットはそれぞれ第１および第２波長を有しており、
前記光ファイバリンクにおいて形成された後方向に散乱された光が、単一光子を検出するよう作動されたときに前記ＳＰＤによって検出されることを低減あるいは防止するために、前記第１および前記第２ＳＰＤユニットにおける前記ＳＰＤを選択的に作動する、
方法。
【請求項１３】
それぞれが一つのＳＰＤおよび調整可能光エレメントを含む前記第１および前記第２ＳＰＤユニットを提供し、対応する前記一つのＳＰＤによって異なる波長の光の検出を制御するために、前記調整可能光エレメントを調整する、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１および前記第２ペアの光パルスを、前記光ファイバリンクに光連結された第１および第２レーザ源を選択的に作動することによって生成する、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１および前記第２波長をそれぞれ検出する専用の第１および第２ＳＰＤを含む、前記第１および前記第２ＳＰＤユニットをそれぞれ提供する、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記ＳＰＤユニットにおける前記ＳＰＤの選択的な作動は、前記第１および前記第２セットのペアの光パルスの予想到達時間にそれぞれ時間を合わせたそれぞれの第１および第２ゲーティングパルスを、それぞれのＳＰＤユニットにおける前記第１および前記第２ＳＰＤに出力する、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１ＱＫＤステーションにおいて、前記第１および前記第２セットのペアの光パルスが前記第２ＱＫＤステーションから戻ってきたときに、前記第１および前記第２セットのペアの光パルスを逆多重化すること、を備える
請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
生キーを形成するために、それぞれの前記ＳＰＤからのＳＰＤ計測をさらに組み合わせる、
請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子暗号に関連し、特に量子キー配送（ＱＫＤ）システム、およびさらには、双方向型ＱＫＤシステムに関連する。
【背景技術】
【０００２】
量子キー配送は、「量子チャネル」越しに送信された弱い（例えば、平均で０．１フォトン）の光信号を用いて、送信者（「アリス」）および受信者（「ボブ」）の間で、キーを確立することに関係する。キー配送の安全性は、不確定状態にある量子系はどれでも測定するとその状態を変えるという、量子力学の原則に基づいている。結果として、量子信号を妨害あるいは測定しようとする盗聴者（「イブ」）は、送信信号にエラーを引き起こしてしまうため、その存在が明らかになる。
【０００３】
量子暗号の一般的な原則は、ベネットとブラッザールの論文（非特許文献１参照）の中で、初めて発表された。具体的なＱＫＤシステムは、ベネットの特許文献（特許文献１参照）およびＣ．Ｈ．ベネットの論文（非特許文献２参照）に述べられている。
ＱＫＤを実行する一般的なプロセスは、ボーミスターらの著作（非特許文献３参照）に述べられている。ＱＫＤプロセス中は、アリスは乱数発生器（ＲＮＧ）を用いて、ベーシス（「ベーシスビット」）のためのランダム・ビットとキー（「キービット」）のためのランダム・ビットとを発生させ、それによって、（例えば、偏光又は位相暗号化を用いて）キュービットを作り出してボブに送る。
【０００４】
リボルディらの論文（非特許文献４参照、「リボルディの論文」）および米国特許文献２はそれぞれ、量子信号が第１ＱＫＤステーションから第２ＱＫＤステーションに送信され、さらに第１ＱＫＤステーションに戻ってくる、いわゆる「双方向型」システムについて記載している。典型的には、第１ＱＫＤステーションから第２ＱＫＤステーションに送信された量子信号は比較的強い（例えば、平均でパルス当たり何百もしくは何千の光子）。そして第１ＱＫＤステーションに戻される前に第２ＱＫＤステーションで量子レベル（すなわち、パルス当たり１光子もしくはそれよりも少ない）まで減衰される。双方向型ＱＫＤシステムは、ドイツのヨアヒム・マイアー博士により最初に発明され、１９９５年に（ドイツ語で）発表された自動補正干渉計を用いている（非特許文献５参照）。マイアー干渉計は偏光や熱ゆらぎを自動補正するため、これに基づいた双方向型ＱＫＤシステムは、一方向型システムに比べて環境の影響を受けにくい。
【特許文献１】米国特許第５，３０７，４１０号公報
【特許文献２】米国特許第６，１８８，７６８号公報
【非特許文献１】“Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｕｂｌｉｃ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｉｎ  ｔｏｓｓｉｎｇ，”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ、Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ，１９８４，ｐｐ．１７５−１７９（ＩＥＥＥ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、１９８４）
【非特許文献２】“Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  Ｕｓｉｎｇ  Ａｎｙ  Ｔｗｏ  Ｎｏｎ−Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｓｔａｔｅｓ，”Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６８  ３１２１（１９９２）
【非特許文献３】“Ｔｈｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，”Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ  ２００１，ｉｎ  Ｓｅｃｔｉｏｎ２．３，ｐａｇｅｓ２７−３３
【非特許文献４】“Ａｕｔｏｍａｔｅｄ‘Ｐｌｕｇ  ａｎｄ  ｐｌａｙ’ｑｕａｎｔｕｍ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，”Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．３４，  Ｎｏ．２２  Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２９，１９９８
【非特許文献５】“Ｓｔａｂｉｌｅ  ｌｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｅ  ｄｅｓ  ｎｉｃｈｔｌｉｎｅａｒｅｎ  Ｂｒｅｃｈｚａｈｌ−Ｋｏｅｆｆｉｚｉｅｎｔｅｎ  ｖｏｎ  Ｑｕａｒｚｇｌａｓｆａｓｅｒｎ  ｄｅｒ  ｏｐｔｉｓｃｈｅｎ  Ｎａｃｈｒｉｃｈｔｅｎｔｅｃｈｎｉｋ，”Ｊｏａｃｈｉｍ  Ｍｅｉｅｒ．−Ａｌｓ  Ｍｓ．  ｇｅｄｒ．．−Ｄuｓｓｅｌｄｏｒｆ：ＶＤＩ−Ｖｅｒｌ．，Ｎｒ．４４３，１９９５（ＩＳＢＮ  ３−１８−３４４３０８−２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マイアー干渉計が双方向型ＱＫＤシステムの形成に用いられると、性能は、３つの異なるメカニズムにより最初の比較的強い量子信号から生成された光子の形態のノイズによって低下する。３つの異なるメカニズムとは、１）周波数シフト光子が生成され、量子信号光子とともに伝播する、前方向ラマン散乱、２）周波数シフト光子が生成され、量子信号光子とは反対方向に伝播する、後方向ラマン散乱、および３）量子信号からの光子が弾性的に散乱されて量子信号光子とは反対方向に戻る、レイリー散乱である。
【０００６】
ラマン前方向散乱および後方向散乱からのノイズを、光波長分割多重化（ＷＤＭ）、時分割多重化（ＴＤＭ）あるいは波長フィルタリングによって、最小限にすることは可能である。しかしながら、後方向にレイリー散乱された光子は量子信号光子と同じ周波数を有するので、後方向へのレイリー散乱は、より困難な問題となる。したがって、量子信号が生じさせたノイズから、量子信号を分離することを試みるＷＤＭ解決方法は適用できない。また、後方向にレイリー散乱された光子が伝送ファイバの全体にわたって弾性的に散乱されるため、検出器に一定（連続波）レートで到達し、ＴＤＭ解決方法を無効にする。
【０００７】
リボルディの論文に記載された双方向型ＱＫＤシステムが、後方向にレイリー散乱された光の検出を抑制するために、１３．２ｋｍの長いファイバループの形態の“ストレージライン”を用いていることについて述べておくことは重要である。そのようなストレージラインは、双方向型ＱＫＤシステムの伝送レートに悪影響を及ぼす。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第一態様は、光ファイバを介してＱＫＤシステムの第２ＱＫＤステーションに光連結するよう適合されたＱＫＤステーションである。ＱＫＤステーションは、光ファイバに発信光パルスを送出するようそれぞれ適合された第１および第２レーザ源を備える。発信光パルスは、第１および第２レーザ源のそれに対応する第１および第２波長を有する。ＱＫＤステーションは、また、それぞれが第１および第２単一光子検出器（ＳＰＤ）を有する第１および第２ＳＰＤユニットを備える。ＳＰＤは、それぞれ、他のＱＫＤステーションから第１ＱＫＤステーションへと戻ってきた弱い受信光パルスとして、第１および第２波長の光パルスを検出するよう適合されている。実施例において、ＳＰＤはペアとして配置され、それぞれのペアはある特定の波長を検出する。また、ＱＫＤステーションは、第１および第２レーザ源と、それぞれのＳＰＤユニットにおける第１および第２ＳＰＤとに、作用可能に連結された制御器を備えている。制御器は、対応する第１および第２セットの発信光パルスを生成するために、第１および第２レーザ源を順次、作動・非作動とするよう適合されている。制御器は、さらに、発信光パルスによる光ファイバにおいて形成される後方向に散乱される光の量が、第１および第２ＳＰＤによって検出されることを低減するために、第１および第２ＳＰＤを選択的に（例えば、順次）作動・非作動とするよう適合されている。他の態様において、それぞれのＳＰＤユニットは、高速光スイッチあるいは高速チューナブルフィルタなどの調整可能光エレメントとともに、一つのＳＰＤを備える。それぞれのＳＰＤユニットにおけるそれぞれの一つのＳＰＤが、異なる波長の光パルスを順次検出するように、調整可能光エレメントは制御器によって調整される。
【０００９】
本発明の他の態様は、第１および第２ＱＫＤステーションを有するＱＫＤシステムにおける光パルスを検出する方法である。本方法は、第１波長を有する第１セットの光パルスを第１ＱＫＤステーションから第２ＱＫＤステーションへ送信し、第１のセットの光パルスの送信を終了し、第２波長を有する第２セットの光パルスを第１ＱＫＤステーションから第２ＱＫＤステーションへ、第１セットの光パルスからの後方向に散乱される放射が第１ＱＫＤステーションにおいて検出されることを防止する時点で送信すること、を備える。
【００１０】
本発明の他の態様は、光ファイバリンクを介して光連結された第１および第２ＱＫＤステーションを有するＱＫＤシステムにおける後方向へのレイリー散乱を低減する方法である。第１ＱＫＤステーションは、光ファイバリンクに光連結されるとともに、それぞれ第１および第２波長を有する単一の光子を検出するよう適合されている、第１および第２の選択的に作動可能な単一光子検出器（ＳＰＤ）を有する。一実施例において、ＳＰＤはペアに配置されており、それぞれのペアは単一波長を検出するよう適合される。一方、他の実施例において、ＳＰＤは調整可能光エレメントとともに配置される。調整可能光エレメントは、異なる波長の光パルスを検出するために一つのＳＰＤを用いることを可能にするように制御される。本方法は、第１のＱＫＤステーションにおいて、光ファイバリンクへの第１および第２セットのペアの光パルスを多重化することを備える。第１および第２セットは、第１および第２波長をそれぞれ有する。選択波長を検出する専用の、ペアのＳＰＤを有する形態については、本方法は、光ファイバリンクにおいて形成される後方向に散乱された光が、単一光子を検出するときＳＰＤによって検出されることを低減あるいは防止するために、ペアのＳＰＤを選択的に作動することを備える。調整可能光エレメントと組み合わせて用いられる一つのＳＰＤを有する形態については、それぞれのＳＰＤが異なる波長を有する光パルスを検出するように、光エレメントは制御器によって調整される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、双方向型ＱＫＤシステムに関連し、特に、後方向へのレイリー散乱から生じるそのようなＱＫＤシステムにおけるノイズを抑制する方法に関する。図１は、双方向型ＱＫＤシステム１０の例を示す概略図である。ＱＫＤシステム１０は、光ファイバリンクＦＬを介して互いに接続された第１ＱＫＤステーション“ボブ”と、第２ＱＫＤステーション“アリス”とを備える。光信号（パルス）Ｐが、アリスとボブとの間の光ファイバリンクＦＬ上で送信される。これらの光パルスは、ここでは、“量子パルス”ともいう。これらの光パルスは、当技術分野において“量子チャネル”と呼ばれるものを介して送信されるからである。
【００１２】
アリスからボブに戻ってくる光（量子）パルスは、以下に説明する通り、一般的に、１以下の、好ましくは約０．１の平均光子数を有する。本発明に係るボブの詳細は、以下の通りである。
引き続いて図１を参照すると、実施例において、アリスは、光軸Ａ１に沿って順に配列される、可変光減衰器（ＶＯＡ）１２と、位相変調器１４と、ファラデミラー１６とを備える。アリスは、また、ＶＯＡと、位相変調器１４とに連結され、これら要素の動作を制御するための制御器２０を備える。
【００１３】
実施例において、アリスおよびボブは、また、同期チャネルＳＣを介して連結される。同期チャネルＳＣは、ＱＫＤシステムを構成する種々の要素のタイミングおよび動作を制御するために、同期信号ＳＳを一方のステーションから他方のステーションへ送信することを可能にする。実施例において、同期チャネルＳＣは、光ファイバリンクＦＬ上の量子チャネルと多重化される。
【００１４】
＜ボブ＞
図２Ａは、図１の双方向型のＱＫＤシステム１０における使用に適した、本発明に係るボブの実施例の概略図である。ボブは、複数のレーザ源Ｌ−例えば、図示するように３つのレーザ源Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３−を備える。レーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、波長λ１，λ２，λ３をそれぞれ有するそれぞれ光パルスＰ１，Ｐ２，Ｐ３を出射する。
【００１５】
レーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、例えば、それぞれのファイバ部Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を介して、それぞれの偏波保持（ＰＭ）ＶＯＡ５１，５２，５３に光連結される。ＰＭＶＯＡ５１，５２，５３は、例えば、ファイバ部Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６を介して、それぞれのカプラ６１，６２，６３に順に光連結される。カプラ６１，６２，６３は直列に配置されており、カプラ６３は、例えば、ファイバ部Ｆ７を介して、カプラ６２に光連結され、カプラ６２は、例えば、ファイバ部Ｆ８を介して、カプラ６１に光連結されている。レーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３およびＰＭＶＯＡ５１，５２，５３は、制御器６６に、（分岐）ライン６４（例えば、ワイヤ）を介して、作用可能に（例えば、電気的に）連結される。制御器６６は、以下に詳細に説明する通り、これらの要素の作動およびタイミングを制御する。
【００１６】
ボブは、さらに、ポート７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを有するサーキュレータ７０を備える。カプラ６１は、例えばファイバ部Ｆ９を介して、第１サーキュレータポート７０Ａに光連結される。また、４つのポート８０Ａ〜８０Ｄを有する３ｄＢカプラ８０は、例えば、ポート８０Ａでカプラに接続されたファイバ部Ｆ１０を介して、第３サーキュレータポート７０Ｃに光連結される。
【００１７】
カプラ８０は、２つのファイバ部８２，８４に、それぞれのポート８０Ｄ，８０Ｃで連結される。ファイバ８２，８４の対向する端部は、偏光ビームスプリッタ８８のそれぞれの面８８Ａ，８８Ｂに連結され、それによって、アーム８２，８４を有する干渉計ループ１００を形成する。位相変調器１１０は、アームの一方（例えば、アーム８２）に配置されている。位相変調器１１０は、制御器６６に機能的に連結される。
【００１８】
ボブは、また、サーキュレータ７０のポート７０Ｂに光連結された第１ＷＤＭデマルチプレクサ１２０と、ポート８０Ｂでカプラ８０に光連結された第２ＷＤＭデマルチプレクサ１２２と、を備える。第１デマルチプレクサ１２０は、一つ以上の光ファイバ１３６を介して、単一光子検出器（ＳＰＤ）ユニット１２８に光連結される。実施例において、ＳＰＤユニット１２８は、一つ以上のＳＰＤ、図示するようにＳＰＤ１３０，１３２，１３４などと、対応する数の光ファイバ１３６とを備える。第２デマルチプレクサ１２２は、一つ以上の光ファイバ１４６を介して、ＳＰＤユニット１３８に光連結される。実施例において、ＳＰＤユニット１３８は、一つ以上のＳＰＤ、ＳＰＤ１４０，１４２，１４４などと、対応する数の光ファイバ１３６と、を備える。そして、それぞれのＳＰＤは次に、制御器６６に連結される。図２Ａのボブの実施例において、ＳＰＤ１３０，１４０は、レーザ源Ｌ１および波長λ１に対応し、ＳＰＤ１３２，１４２はレーザ源Ｌ２および波長λ２に対応し、また、ＳＰＤ１３４，１４４はレーザ源Ｌ３および波長λ３に対応する。この意味において、ＳＰＤ１３０，１４０はＳＰＤ“ペア”と見なされ、ＳＰＤ１３２，１４２、およびＳＰＤ１３４，１４４も同様である。
【００１９】
なお、上記の説明が、ボブの機構の一実施例であることを述べておく。他の機構も可能であり、上述の機構は例示のために用いられている。例えば、それぞれのＳＰＤユニットに複数のＳＰＤを用いるのではなく、ボブは、それぞれのＳＰＤユニットに一つのＳＰＤを用いて動作して、例えば、遅延ラインおよび制御器６６によって出力されるゲーティングパルスによって、あるいは、制御器６６に連結された１以上の調整可能光エレメントの使用を通じて、異なる波長の光を検出することができる。
【００２０】
例えば、図２Ｂを参照すると、一実施例において、ボブは、デマルチプレクサ１２０とＳＰＤ１３０との間に配置された第１高速光スイッチ１６０と、デマルチプレクサ１２２とＳＰＤ１４０との間に配置された第２高速光スイッチ１６２と、の形態の調整可能光エレメントを備える。この場合、高速スイッチ１６０およびＳＰＤ１３０が、ＳＰＤユニット１２８を構成する。一方、高速スイッチ１６２およびＳＰＤ１４０が、ＳＰＤユニット１３８を構成する。高速スイッチ１６０，１６２は、制御器６６に作用可能に連結される。制御器６６は、対応する一つのＳＰＤによる異なる波長の光（以下に導入、説明する干渉パルスＩＰ１の形態の）の検知を制御するように、これらのスイッチの動作を制御する。
【００２１】
同様に、図２Ｃを参照すると、実施例において、デマルチプレクサ１２０，１２２がボブから除かれ、そして、高速チューナブル光フィルタの形態の調整可能光エレメントが使用される。第１高速チューナブルフィルタ１７０は、サーキュレータ７０とＳＰＤ１３０との間に配置される。また、第２高速チューナブルフィルタ１７２は、カプラ８０とＳＰＤユニット１２８との間に配置される。この場合、チューナブルフィルタ１７０およびＳＰＤ１３０が、ＳＰＤユニット１２８を構成する。一方、フィルタ１７２およびＳＰＤ１４０が、ＳＰＤユニット１３８を構成する。この実施例において、ＳＰＤユニット１２８，１３８はそれぞれ、ただ一つのＳＰＤ１３０，１４０をそれぞれ必要とする。高速チューナブル光フィルタ１７０，１７２は、制御器６６に作用可能に連結される。制御器６６は、対応する一つのＳＰＤによる異なる波長の光（以下に導入および説明する干渉パルスＩＰ１の形態の）の検知を制御するように、これらのフィルタの動作を制御する。
【００２２】
以下の説明は、例示と理解の容易さのための図２Ａにおいて示す通り、デマルチプレクサと組み合わせて用いられる特定波長ＳＰＤペアに対してなされる。図２Ｂおよび図２Ｃにおいて示す通り、ボブの実施例の動作の方法は、基本的に同じ動作の方法に従うが、上述の通りの相違がある。
＜動作の方法＞
本発明において、時間および波長の逆多重化はともに、後方向へのレイリー散乱に関連した悪影響を抑制するよう用いることができる。概して、後方向散乱は、光ファイバの全長にわたって生じ、そして、後方向に散乱された光は、アリスまでのあるいはアリス近傍までの光ファイバの部分から、ＳＰＤに達することができる。ある一定の場合においては、しかしながら、ＱＫＤシステム１０（図１）において、ほとんどの後方向への散乱が、元の発信光パルスＰがまだ強いボブ近傍の光ファイバリンクＦＬの部分で生じる。これらのパルスはまた、検出器に達する可能性がより高い。これらのパルスは、ボブに戻る途中のファイバリンクＦＬにおいて消失しにくいと考えられるからである。一般的に、ボブから測定されるファイバリンクＦＬの長さに沿ったある有効距離があって、それを越えると検知プロセスに対する後方向散乱の影響が最小となる。実施例において、この有効距離は、最適なタイミングの組み合わせを見つけるために、異なる波長の光パルスの生成および検知のタイミングを変えることにより、実験的に決定される。
【００２３】
図２Ａを再び参照すると、後方向へのレイリー散乱の悪影響を最小限にするために、レーザ源Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３および対応するＳＰＤが、順に作動される。例えば、レーザ源Ｌ１は、ＰＭＶＯＡ５１、カプラ６１、サーキュレータ７０を通ってループ１００に送られる、数（セット）Ｎ１のパルスＰ１を生成する。ループ１００では、それぞれのパルスＰ１は、図２ＡのＰｎ’およびＰｎ”として概略的に示す、２つのコヒーレントな光パルスに分離される。ペアのパルスは、それぞれのペアにおいて少なくとも一方のパルスが変調されるアリスへ進行する。その後、パルスペアは、ボブに戻ってくる。ボブでは、アーム８２を通って進行している戻ってきたパルスは、ランダムに選択された位相（例えば、制御器６６における乱数発生器を介して）で変調された位相となる。
【００２４】
それぞれの戻ってきたペアのパルスは、カプラ８０で再結合（干渉）されて、一つの干渉されたパルスＩＰ１を形成する（図３Ａ参照）。干渉されたパルスは、干渉されたパルスの全体の位相に応じて、カプラ８０を介してデマルチプレクサ１２２、あるいはサーキュレータ７０を介してデマルチプレクサ１２０のいずれかへと通る。その後、デマルチプレクサ１２０，１２２は、干渉されたパルス（波長λ１を有している）を、それぞれのＳＰＤユニット１２８，１３８におけるＳＰＤ１３０，１４０へと導く。ＳＰＤ１３０，１４０は、干渉されたパルスの到着時間に対応するよう、制御器６６を介してゲート制御される。
【００２５】
＜全ファイバ長に沿った後方向散乱＞
最も一般的な場合において、ＱＫＤシステム１０（図１）における後方向散乱は、光ファイバリンクＦＬの全長に沿って生じる。
また、図３Ａを参照すると、第１セットの光パルスがアリスに到達する時点あるいはほぼその時点で、制御器６６はレーザ源Ｌ１を非作動とし、レーザ源Ｌ２を作動する。そして、レーザ源Ｌ２は、ある数（セット）Ｎ２の光パルスＰ２を出射する。光パルスＰ２は、ＰＭＶＯＡ５２、カプラ６２を通り、そして、カプラ６１へと送られる。同様に、図３Ｂを参照すると、光パルスＰ２がアリスに到達し始める時点あるいはほぼその時点で（そして、干渉されたパルスＩＰ１がボブにおいて形成される時点あるいはほぼその時点で）、制御器６６は、レーザ源Ｌ２を非作動とし、ある数（セット）Ｎ３の光パルスＰ３を出射するレーザ源Ｌ３を作動する。次いで、光パルスＰ３がアリスに到達し始める時点あるいはほぼその時点で、制御器６６はレーザ源Ｌ３を非作動とし、レーザ源Ｌ１を作動し、そしてこのプロセスが繰り返される。
【００２６】
一方、制御器６６は、異なる光パルスセットが順次ボブに到達するとき、それぞれの波長λ１，λ２，λ３を有するそれぞれの干渉された光パルスＩＰ１，ＩＰ２，ＩＰ３を検出するために、ＳＰＤペア（１３０，１４０）、（１３２，１４２）、（１３４，１４４）を順次作動させる。
一つの波長の光パルスがアリスに到達するちょうどそのときに、光パルスＰの波長をある波長から他の波長に切り換えることによって、その一つの波長の後方向にレイリー散乱された光が、その波長の量子パルスが検出されようとするちょうどそのときに、その波長の光子を検出するよう指定されたＳＰＤに到達することを防止する。
【００２７】
図４を参照すると、実施例において、それぞれのレーザ源Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、光パルスのセットをＬ／Ｃの継続時間の間出射し、２（ＬＦ）／ｃの連続的な時間の間、オフとなる。ここで、ＬＦは、ボブとアリスとの間の光ファイバリンクＦＬの長さであり、ｃはファイバ内の光の速度である。より一般化された実施例において、ｎレーザ源Ｌ１，Ｌ２，．．．Ｌｎがある場合、それぞれのレーザは、ＬＦ／Ｃの継続時間の間出射し、（ｎ−１）（ＬＦ）／ｃの連続的な時間の間、オフとなる。
この実施例において、レイリー散乱は、完全に時間逆多重化される。
【００２８】
＜ボブ近傍の最も強い後方向散乱＞
上述の通り、ある一定の場合においては、ＱＫＤシステム１０（図１）においてほとんどの後方向への散乱は、元の発信光パルスＰがまだ強いボブ近傍の光ファイバリンクＦＬの部分で生じる。これらのパルスはまた、検出器に達する可能性がより高い。これらのパルスは、ボブに戻る途中のファイバリンクＦＬにおいて消失しにくいと考えられるからである。
【００２９】
したがって、図５Ａも参照すると、一実施例において、干渉されたパルス（光子）ＩＰ１がＳＰＤ１３０，１４０に到達し始める時点あるいはほぼその時点で、制御器６６はレーザ源Ｌ１を非作動とし、レーザ源Ｌ２を作動する。そして、レーザ源Ｌ２は、ある数（セット）Ｎ２の光パルスＰ２を出射する。光パルスＰ２は、ＰＭＶＯＡ５２、カプラ６２を通り、カプラ６１へと渡される。この点では、ＱＫＤシステムの動作は、光パルスＰ１に関する上述のものと基本的に同じあるが、ここでは、ＳＰＤ１３２，１４２が、波長λ２を有する干渉されたパルスの到達を検出するようゲート制御されることが異なる。
【００３０】
同様に、図５Ｂを参照すると、波長λ２を有する干渉されたパルスＩＰ２がＳＰＤ１３２，１４２に到達し始める時点あるいはほぼその時点で、制御器６６はレーザ源Ｌ２を非作動とし、レーザ源Ｌ３を作動する。そして、レーザ源Ｌ２は、ある数（セット）Ｎ３の光パルスＰ３を出射する。光パルスＰ３は、ＰＭＶＯＡ５３を通り、そしてカプラ６３，６２，６１を通る。この点では、ＱＫＤシステムの動作は、光パルスＰ１に関する上述のものと基本的に同じあるが、ここでは、ＳＰＤ１３４，１４４が、波長λ３を有する干渉されたパルスの到達を検出するようゲート制御されることが異なる。
【００３１】
干渉されたパルスＩＰ３（図示せず）が、ＳＰＤ１３４，１４４に到達し始める時点あるいはほぼその時点で、制御器６６はレーザ源Ｌ３を非作動とし、レーザ源Ｌ１を作動して、そして、上述のプロセスが、所望の数のキュービットが交換されるまで、繰り返される。一般化すると、それぞれのレーザ源Ｌ１，Ｌ２，．．．，Ｌｎは、２（ＬＦ）／ｃの継続時間の間、出射し、２（ｎ−１）（ＬＦ）／ｃの連続的な時間の間、オフとなる。
【００３２】
第１波長の光パルスが検出されようとするちょうどそのときに、光パルスＰの波長を第１波長から第２波長に切り換えることによって、第１波長の後方向にレイリー散乱された光の量が、その波長の量子パルスが検出されようとするちょうどそのときに、第１波長の光子を検出するよう指定されたＳＰＤに到達することを低減する。低減量は、一定ではなく、それぞれのサイクルの時間とともに指数関数的に増加する。
【００３３】
ＳＰＤに到達するある波長の後方向にレイリー散乱される光子の量Ｒは、この波長が検出されようとするとき、Ｒ＝Ａｅ-Btで表される。ここでは、時間ｔは、それぞれのサイクルの間、０と２（ＬＦ）／Ｃの間で変化し、ＡおよびＢは、ファイバ長（ＦＬ）、その損失、およびシステム構造に依存するシステムパラメータである。
＜キー生成＞
本発明において、従来のＱＫＤプロトコルが、交換された光パルスからキーを抽出するために用いられる。光子（パルス）がＳＰＤで検出されるとき（つまり、検出器がクリックするとき）、どのＳＰＤペアがクリックを生成したか知ることは重要である。現在作動（ゲート制御）されていないＳＰＤセットで検知イベントが生じるとき、このイベント（クリック）を廃棄する必要がある。それが間違った波長に対応し、したがって、暗電流あるいは他のタイプの検出器エラーに起因すると考えられるからである。
【００３４】
＜ボブの他の実施例＞
図６は、図２Ａのそれと同様のボブの部分の概略図であり、マルチプレクサ３００（例えば、従来の光マルチプレクサ、微小電気機械（ＭＥＭＳ）装置など）を、異なるレーザ源Ｌからの光パルスＰを組み合わせて、そして、サーキュレータ７０へ送信するために用いる実施例を示している。この実施例は、個々のカプラ６１，６２，６３の必要性をなくしている。
【００３５】
図７は、図５のそれと同様のボブの部分の概略図であり、単一ＰＭＶＯＡ３１０がマルチプレクサ３００の下流側に配置される実施例を示している。この実施例は、３つの異なるＰＭＶＯＡの必要性をなくしている。
以上、本特許出願は、２００４年７月２８日に出願された、米国特許出願第１０／９００，４９１号から優先権を主張するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】双方向型ＱＫＤシステムの実施例を示す概略図である。
【図２Ａ】図１の双方向型ＱＫＤシステムにおいて使用される本発明に係るＱＫＤステーション、ボブの実施例の概略図であって、ボブは３つの異なる波長を有する量子信号を伝達可能である。
【図２Ｂ】図２Ａに同様であり、ＳＰＤユニットがただ一つのＳＰＤのみ必要とするように、それぞれのデマルチプレクサとＳＰＤユニットとの間に高速光スイッチを用いるＱＫＤステーションの実施例を示す。
【図２Ｃ】図２Ａに同様であり、デマルチプレクサの省略を可能にし、また、それぞれのＳＰＤユニットにおいて一つのＳＰＤの使用を可能にするために、チューナブルフィルタをそれぞれのＳＰＤユニットの上流に用いる、ＱＫＤステーションの実施例を示す。
【図３Ａ】第１波長の光パルスが対応する単一光子検出器（ＳＰＤ）に到達するときに、第２波長の光パルスを生成するタイミングを示す概略図である。
【図３Ｂ】第２波長の光パルスが対応するＳＰＤに到達するときに、第３波長の光パルスを生成するタイミングを示す概略図である。
【図４】図４は、レーザ源が、異なる波長のそれぞれの光パルスを送信する時間セグメントを示すタイミング図である。
【図５Ａ】第１波長の光パルスが対応する単一光子検出器（ＳＰＤ）に到達するときに第２波長の光パルスを生成するタイミングを示す概略図である
【図５Ｂ】第２波長の光パルスが対応するＳＰＤに到達するときに第３波長の光パルスを生成するタイミングを示す概略図である。
【図６】３つの別々の光カプラの代わりに、マルチプレクサを使用をしているボブの一部の概略図である。
【図７】図２Ａにおいて示した３つの別々のＰＭＶＯＡを用いる代わりに、マルチプレクサの下流に配置されている一つの偏波保持可変光減衰器（ＰＭＶＯＡ）を使用しているボブの一部の概略図である。
【００３７】
図に示した種々の要素は、単に、表示的なもので、必ずしもスケールに合わせて描かれてはいない。ある部分が誇張されていることもあり、また、他の部分が極小化されていることもある。図面は、当業者によって理解され適切に実行することができる本発明の種々の実施例を例示するよう意図されたものである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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