(57)【要約】【課題】ＱＫＤシステムネットワーク（５０，２００，３００）およびそのネットワーク越しにエンドユーザ（Ｐ１，Ｐ２）間で通信する方法について開示する。【解決手段】一例としてＱＫＤシステムネットワーク（５０）は、リレーステーション（５８）を間に有する第１ＱＫＤステーション（Ａ１）および第２ＱＫＤステーション（Ａ２）を含む。リレーステーションは、単一の第３ＱＫＤステーション（Ｂ）および光スイッチ（５５）を含む。光スイッチによって、第３ＱＫＤステーションは、第１および第２ＱＫＤステーション間で共通のキーを確立するように、第１および第２ＱＫＤステーションと交互に通信することが可能になる。エンドユーザは、各々ＱＫＤステーションＡ１およびＡ２に連結されている。秘密キー（Ｓ）は、Ａ１およびＡ２と独立にキーを生成することが可能なＱＫＤステーションＢによって、Ｐ１およびＰ２間で共有される。この基本的なシステムは、Ｐ１−Ａ１−Ｂ−Ａ２−Ｐ２と表すことができ、リレーを構成するＢ１およびＡ２を有してＰ１−Ａ１−Ｂ１−Ａ２−Ｂ２−Ｐ２などのように、さらに複雑な線形ネットワークの形に拡張することができる。この基本的なＱＫＤシステムネットワークはさらに、多次元に拡張することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ＱＫＤステーションおよび第２ＱＫＤステーションと、
前記第１および前記第２ＱＫＤステーションを機能的に連結するリレーステーションと、を備え、
前記リレーステーションは、単一の第３ＱＫＤステーションと、前記第１および前記第２ＱＫＤステーション間で共有キーを確立するように、前記第３ＱＫＤステーションが前記第１および前記第２ＱＫＤステーションと交互に通信することを可能にする光スイッチと、を有している、
ＱＫＤネットワークシステム。
【請求項２】
前記第３ＱＫＤステーションは、前記光スイッチに各々連結されている量子光レイヤおよびコントローラを含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
エンドユーザＰ１からエンドユーザＰ２へ安全キーＳを通信する方法であって、前記エンドユーザＰ１および前記Ｐ２は、各々第１および第２ＱＫＤステーションＡ１およびＢ１に連結され、前記Ａ１および前記Ｂ１は、単一の第３ＱＫＤステーションＢおよび光スイッチを含むリレーステーションを介して互いに機能的に連結されており、前記方法は、
ａ）前記ステーションＢおよび前記Ａ１間でキーｋ１を交換するために前記スイッチをセットし、
ｂ）前記ステーションＢおよび前記Ａ２間でキーｋ２を交換するために前記スイッチをセットし、
ｃ）Ｂで、ｃ  ＝ｋ１  ＸＯＲ  ｋ２を実行し、
ｄ）Ｐ１で、ｃ１  ＝Ｓ  ＸＯＲ  ｋ１を実行して、Ｃ１をＢへ送信し、
ｅ）Ｂで、ｃ２  ＝ｃ１  ＸＯＲ  ｃを実行し、
ｆ）Ａ２を介してｃ２をＰ２へ送信し、
ｇ）Ｐ２で、Ｐ２  ＸＯＲ  ｋ２  ＝Ｓを実行する、
方法。
【請求項４】
キーｃを確立した後に、キーｋ１およびｋ２を消去する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ＱＫＤステーションＡ１−Ｂ１−Ａ２−Ｂ２の線形な構成を有するＱＫＤシステムネットワーク越しに、エンドユーザＰ１およびＰ２間でキーＳを通信する方法であって、前記エンドユーザＰ１は機能的に前記Ａ１に連結され、前記エンドユーザＰ２は機能的に前記Ｐ２に連結されており、前記方法は、
Ｂ１およびＡ１間の通信を可能にする光スイッチをＢ１にセットして、Ａ１およびＢ１間で第１キーｋ１を確立し、
Ｂ２およびＡ２間の通信を可能にする光スイッチをＡ２にセットして、Ａ２およびＢ２間で第２キーｋ２を確立し、
Ｂ１およびＡ２間の通信を可能にする前記光スイッチをＢ１およびＡ２にセットして、Ｂ１およびＡ２間で第３キーｋ３を確立し、
Ｂ１においてキーＭｂ１  ＝ｋ１  ＸＯＲ  ｋ３を形成し、
Ａ２においてキーＭａ２  ＝ｋ３  ＸＯＲ  ｋ２を形成し、
Ｐ２でＳを明らかにするために、Ｓ  ＸＯＲ  ｋ１  ＸＯＲ  Ｍａ２  ＸＯＲ  ｋ２を実行する、
方法。
【請求項６】
秘密キーＳを第１エンドユーザＰ１から第２エンドユーザＰ２へ通信する方法であって、前記エンドユーザは共に、ＱＫＤシステムネットワークにおける第１および第２ＱＫＤステーションに各々機能的にリンクされており、前記方法は、
光スイッチを第１状態になるように配置することによって、リレーステーションにおける前記第１ＱＫＤステーションおよび第３ＱＫＤステーション間に第１キーを確立し、
前記光スイッチを第２状態になるように配置することによって、前記第２ＱＫＤステーションおよび前記第３ＱＫＤ間に第２キーを確立し、
前記第３ＱＫＤステーションにおける前記第１および前記第２キーを結合し、
前記秘密キーＳをＰ１からＰ２へ通信するために、前記第３ＱＫＤステーションにおいて前記結合されたキーを用いる、
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、量子暗号に関して産業上の実用性を有する。特に、量子キー配送（ＱＫＤ）システムネットワークに関連し、産業上の実用性を有する。
【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光信号（例えば、平均で０．１フォトン）を用いて、送信者（「アリス」）および受信者（「ボブ」）間で、キーを設定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。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２参照）に述べられている。具体的なＱＫＤシステムは、ベネットの特許文献１（‘４１０特許）と、それに加えてＣ．Ｈ．ベネットらの論文（非特許文献３および４参照）にも述べられている。‘４１０特許およびベネットの２つの引用文献は、本明細書で参照することにより本明細書に組み込まれる。
【０００４】
上記文献は各々、いわゆる「一方向型」ＱＫＤシステムについて述べている。一方向型ＱＫＤシステムとは、アリスが単一光子の偏光または位相をランダムに暗号化して、ボブがそれら光子の偏光または位相をランダムに測定するものである。ベネットの１９９２年の論文および‘４１０特許に述べられている一方向型システムは、共有干渉システムに基づいている。アリスおよびボブは、干渉計の位相を制御できるように、干渉計システムの各部にアクセスすることが可能である。アリスからボブに送信された信号（パルス）は、時分割され、異なった経路をたどる。結果として、干渉計は、熱ドリフトを補正するために、伝送中は能動的に安定化している必要がある。
【０００５】
本明細書で参照することにより本明細書に組み込まれるギシンの特許文献２（‘２３４特許）では、いわゆる「双方向」型ＱＫＤシステムが開示されている。このシステムは、ヨアヒム・マイアー博士により発明された自動補正干渉計に基づいている。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。
【０００６】
いずれは、ＱＫＤリレーやルータのメッシュを介してＱＫＤの終端を接続するＱＫＤ「ネットワーク」全体に、多重ＱＫＤリンクを組み込ませることが望まれる。ＱＫＤネットワークの例は、特許文献３〜５と、それらに加えてＣ．エリオットらの論文（非特許文献５参照）で議論されている。フェニックスらの特許文献６では、リレーやルータを用いないＱＫＤネットワークトポロジがいくつか開示されている。これらにおいて、最も長いリンクは、特定の距離制限を受けてしまう。
【０００７】
ネットワーク内の所定の２地点間ＱＫＤリンクが、例えば、ファイバが切断されたりまたは過剰な盗聴もしくはノイズによって落ちた場合、そのリンクは放棄され、代わりに他のリンクが用いられる。このようなネットワークは、積極的な盗聴もしくは他のサービス拒絶攻撃に直面した場合においてもさえも、回復力があるように設計することができる。
ＱＫＤネットワークは、いくつかの方法で構築することができる。一例では、ＱＫＤリレーは、キーとする材料のみを運ぶ。リレーが終端間地点−例えば、２つのＱＫＤ終端間−に沿ってペアワイズで一致したキーを確立した後、リレーは、これらのキーペアを「ホップ−バイ−ホップ」で１つの終点から他の終点までキーを安全に運ぶために用いる。キーは、あるリレーから次のリレーまで進むに従って、各ペアワイズキーを有するワンタイムパッドを用いて暗号化および復号化される。このアプローチでは、終端間キーは、リレーのメモリ内に適切に「疑いの晴れた」状態で現れるが、リンクを通過する際に常に暗号化される。このような設計は、「キー輸送ネットワーク」と称することもできる。
【０００８】
あるいは、ネットワーク中のＱＫＤリレーは、キーとする材料およびメッセージトラフィックの両方を運んでもよい。本質的には、このアプローチは、リンク暗号機構としてＱＫＤを用いる、あるいはＱＫＤで保護されたトンネル列からの全ての終端間トラフィックパスを縫い合わせるものである。このようなＱＫＤネットワークは、上記に挙げた２地点間リンクの欠点を克服するという利点を有している。
【０００９】
第一に、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）は、積極的なリレーによりブリッジされた２地点間リンクの列によって生成されるため、量子暗号によって保護されたネットワークの地理的な範囲を広げることができる。リンクは、非同次の通信媒体、すなわち、いくつかはファイバを介し、他方はフリースペースであってもよい。従って、理論的には、このようなネットワークは、完全に全体をカバーすることができる。
【００１０】
第二に、積極的な盗聴もしくは単純に光ファイバリンクを切断することによって、敵対者がキー配送プロセスを無効にする可能性が抑えられる。ＱＫＤネットワークは、単にさらなるリンクおよびリレーをメッシュに加えることにより、望むだけ冗長に設計することができる。
【００１１】
第三に、ＱＫＤネットワークは、キー配送ネットワークの単純なスター型トポロジの場合に、要求されたＮ×（Ｎ−１）／２の２地点間リンクをわずかＮリンクにまで削減することで、非公開の飛び地を広域に内部接続するためにかかるコストを大幅に削減できる。
しかしながら、このようなＱＫＤネットワークは、それ自身欠点も有している。例えば、主な弱点は、リレーが信頼されるものでなければならないということである。キーとする材料およびメッセージトラフィックは、−直接的もしくは間接的に−リレーのメモリ中において疑いのない状態で得られるため、これらのリレーは敵対者の手に落ちてはならない。リレーは物理的に安全な位置にいる必要があり、かつトラフィックが本当に重要であるならば、おそらく保護される必要もある。さらに、システム中の全てのユーザは、彼らのメッセージトラフィックの全てのキーを有するネットワーク（かつネットワークのオペレータ）を信頼しなければならない。従って、非常に重要な機密情報（トラフィック）を共有する必要のあるユーザペアは、この機密トラフィックのキーを輸送するために用いられるＱＫＤネットワークの全ての装置、かつおそらく全てのオペレータを含むために、内情に通じている可能性のあるものに対するサークルを拡張しなければならない。
【００１２】
図１は、従来技術の単純な２地点間量子キー配送（ＱＫＤ）システムネットワーク１０を示す概略図である。Ｐ１およびＰ２は、ユーザのターミナルである。リンクＬ１は、ユーザターミナルＰ１をＱＫＤステーションＡ（例えば、アリス）に接続し、リンクＬ３は、ユーザターミナルＰ２をＱＫＤステーションＢ（例えば、ボブ）に接続する。リンクＬ１およびＬ３は、暗号化されておらず、ステーションＰ１およびＡ、およびステーションＰ２およびＢのような安全な位置にあると仮定する。リンクＬ２は、２つのＱＫＤステーションＡおよびＢを接続する。この配置は、約５０〜１００ｋｍ間のＱＫＤに対する最大限安全な距離によって制限を受ける。ＱＫＤシステム１０の構成は、簡単にＰ１−Ａ−Ｂ−Ｐ２と表される。Ｐ１およびＰ２は、ここでは「エンドユーザ」としても参照される。
【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６，４３８，２３４号公報
【特許文献３】ＰＣＴ特許出願ＷＯ０２／０５４８０
【特許文献４】ＰＣＴ特許出願ＷＯ０１／９５５５４Ａ１
【特許文献５】ＰＣＴ特許出願ＷＯ９５／０７８５２
【特許文献６】米国特許第５，７６４，７６５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】“Ｔｈｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，”Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ  ２００１，ｉｎ  Ｓｅｃｔｉｏｎ２．３，ｐａｇｅｓ２７−３３
【非特許文献３】“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ”Ｊ．Ｃｒｙｐｔｏｌｏｇｙ、  ｖｏｌ．５  （１９９２）  ｐｐ．３−２８
【非特許文献４】“Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  Ｕｓｉｎｇ  Ａｎｙ  Ｔｗｏ  Ｎｏｎ−Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｓｔａｔｅｓ，”Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６８  ３１２１（１９９２）
【非特許文献５】“Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  ｉｎ  Ｐｒａｃｔｉｃｅ，”Ｎｅｗ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ４  （２００２），４６．１−４６．１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
キーが伝達されうる距離を延長するために、中間リレーステーションを用いることができる。この構成の最も単純な実施形態は、図２に示す従来技術のＱＫＤシステムネットワーク２０である。ＱＫＤシステム２０は、リレーステーション３０を備える。リレーステーション３０は、対応するＱＫＤステーションＡおよびＢにリンクされた２つのＱＫＤステーションＡ１およびＢ１を有する。ＱＫＤステーションＡおよびＢは、各ユーザターミナルＰ１およびＰ２に取り付けられている。ＱＫＤシステム２０の構成は、Ｐ１−Ａ−Ｂ１−Ａ１−Ｂ−Ｐ２である。しかしながら、この構成は、リレーステーション３０に２つのＱＫＤステーションを必要とするため、かなり複雑で高価なものになる。この構成をさらに大規模な商業的に実行可能なＱＫＤネットワークに対して複製すると、急速に高価で手に負えないものになってしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、ＱＫＤシステムネットワークに関する。本発明に係るＱＫＤシステムネットワークの一例は、第１および第２ＱＫＤステーションが、それらの間にあるリレーステーションに光連結されているものを含む。リレーステーションは、単一の第３ＱＫＤステーションおよび光スイッチを含む。光スイッチによって、第３ＱＫＤステーションは、第１および第２ＱＫＤステーション間で共通のキーを確立するように、第１および第２ＱＫＤステーションと交互に通信することが可能になる。エンドユーザＰ１およびＰ２は、各々ＱＫＤステーションＡ１およびＡ２に連結されている。秘密キー（Ｓ）は、光スイッチの状態を調整することでＢおよびＡ１、かつＢおよびＡ２の間で独立にキーを生成することが可能なＢによって、Ｐ１およびＰ２の間で共有することができる。この基本的なＱＫＤシステムネットワークは、その構成をＰ１−Ａ１−Ｂ−Ａ２−Ｐ２と表すことができ、切り替え可能なリレーを構成するＢ１およびＡ２を有してＰ１−Ａ１−Ｂ１−Ａ２−Ｂ２−Ｐ２などのように、さらに複雑な線形ネットワークの形に拡張することができる。基本的なＱＫＤシステムネットワークはさらに、多次元に拡張することができる。
【００１５】
本発明におけるこれらおよび他の態様は以下に詳しく述べる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、二人のエンドユーザの間に、光パススイッチをアリスおよび／またはボブのＱＫＤステーション（「ボックス」）に加えることによって、従来技術のＱＫＤシステムネットワークよりも低価格に中間（「リレー」）ステーションのチェーンを構成可能にするものである。スイッチにより、リレーステーションは、光スイッチの状態に基づいて、隣接するＱＫＤステーションと交信する単一ＱＫＤステーションを有することが可能になる。
【００１７】
図３は、本発明に係るＱＫＤシステム５０の概略図である。ＱＫＤシステムは、ボックスＡ１、Ｂ、およびＡ２の光整列したカスケードチェーンを備えている。ＱＫＤシステム５０の構成は、簡単にＰ１−Ａ１−Ｂ−Ａ２−Ｐ２と表すことができる。ここでＰ１およびＰ２は、リンクＬＡ１およびＬＡ１を介して、各々のＱＫＤステーションＡ１およびＡ２に機能的に連結されているエンドユーザである。ＱＫＤシステム５０において、ボブ（Ｂ）のみが、光スイッチ５５に接続されているか、もしくはそれを含んでいる。光スイッチ５５により、Ｂは、例えば光ファイバリンクＦ１，Ｆ２，およびＦ３を介してＡ１またはＡ２のいずれかに接続を確立することが可能になる。この配置によって、連続的な接続のみが可能になる。システム６０において、ＱＫＤステーションＢおよびスイッチ５５は、リレー５８を構成している。
【００１８】
例えば、Ｂは初めに、Ａ１とＱＫＤ交換することが可能なスイッチの位置を選んだとしよう。Ａ１およびＢが共にキーｋ１を共有した後、次いで、スイッチの位置（状態）は、キーｋ２をＡ２と共有するために、Ａ２との接続をＢが確立するように変化する。この時点で、Ｂは２つのキーｋ１およびｋ２を有している。秘密キーＳをＰ１からＰ２へ送信するために、ｋ１を用いたワンタイムパッド暗号化を用いることで、秘密キーＳをＰ１からＡ１−Ｂへ送信できる。さらに、ｋ１を用いてＢで復号化し、ｋ２を用いてＢでワンタイムパッド暗号化し、Ａ２へ送信し、ｋ２を用いてＰ２で復号化する。
【００１９】
あるいは、ｃ＝ｋ１  ＸＯＲ  ｋ２を生成し、消去可能な別個のキーｋ１およびｋ２を保持する代わりに、それをＢで保持してもよい。次にＰ１において、動作ｃ１＝Ｓ  ＸＯＲ  ｋ１が実行され、ｃ１は、ｃ２がｃ２＝ｃ１  ＸＯＲ  ｃとして生成されるＢへ送信される。次に、Ｂはｃ２をＡ２−Ｐ２に送信し、Ｐ２でｃ２  ＸＯＲ  ｋ２の動作が実行される。従って、Ｐ２で秘密キーＳが明らかになる。
【００２０】
図４は、本発明に係るＱＫＤステーションであるアリス（Ａ）もしくはボブ（Ｂ）の高次元概略図である。ＱＫＤステーション（ＡもしくはＢ）は、コントローラ１１０に機能的に連結されている量子光レイヤ１００を有している。量子光レイヤ１００およびコントローラ１１０は、例えば、光ファイバリンクＦ３および電気的なリンクＥ１を介して、スイッチ５５に機能的に連結されている。電気的なリンクＥ１により、コントローラ１１０は、スイッチ５５の位置もしくは「状態」をセットすることが可能になる。ＱＫＤステーションの「１次元」グリッド（以下で説明する）では、スイッチ５５は、例えば微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチなどの、例えば１×２光スイッチである。
【００２１】
図５は、１次元グリッドの構成をとったＱＫＤシステムネットワーク２００の概略図であり、簡単にＰ１−Ａ１−Ｂ１−Ａ２−Ｂ２−Ｐ２と表される。ステーションＡ１およびＢ１は光ファイバリンクＦ４により光連結されており、ステーションＢ１およびＡ２は光ファイバリンクＦ５により光連結されており、ステーションＡ２およびＢ２は光ファイバリンクＦ６により光連結されている。エンドユーザＰ１およびＰ２は、リンクＬＡ１およびＬＢ２を介して、各ＱＫＤステーションＡ１およびＢ２に機能的に連結されている。
【００２２】
ＱＫＤシステム２００では、１×２スイッチ型のスイッチ５５がＱＫＤステーションＢ１およびＡ２で必要とされる。図６のＱＫＤシステムネットワーク３００（以下に説明する）のような「２次元」メッシュグリッドでは、１×４スイッチ５５（図示せず）が用いられる。一般的に、各ボブもしくはアリスのステーションは、図４に示すように、対応する量子光レイヤ１００、コントローラ１１０、およびスイッチ５５を備えている。コントローラ１１０は、量子光レイヤの構成要素（図示せず）、例えば、位相（偏光）変調器、レーザ、単一光子検出器、およびＶＯＡなどのタイミングおよび同期をとる。コントローラ１１０は、ネットワーク中のステーション間の通信を保証し、選択された光パスを提供するためにネットワーク中のスイッチ５５の動作を制御する。各コントローラ１１０は、さらに隣接するステーションとで確立されたキーを記録し、そのキーに対して数学的な操作、例えば、上記で述べたようなＸＯＲ操作を行う。
【００２３】
なお、異なるステーション間でのリンクは、異なる長さであってもよいことに注意が必要である。ここで各長さは、弱いコヒーレントパルスが用いられた場合の安全なパルス当たりの光子数に対応している。また、システムの様々な部分もしくはセグメントは、様々な環境の影響を受けるため、コントローラに異なるパラメータのセットを操作することを要求する。例えば、図５のシステム２００におけるステーションＢ１は、２つの組の操作パラメータ−１つはＢ１−Ａ１リンクのため、もう一つはＢ１−Ａ２リンクのため−を含んでいてもよい。異なるリンクは、安全なキー配送のために異なる時間を要求してもよい。
【００２４】
図７および８は、図５のＱＫＤシステムネットワーク２００において、Ｐ１からＰ２へ秘密キーＳを伝達するために必要な操作の実施例を示すフロー図７００である。
まず図７を参照すると、７０２において、ステーションＡ１およびＢ１間でＱＫＤプロセスを開始するために、ステーションＡ１は信号をステーションＢ１に送信する。また、ステーションＢ１は、そのスイッチを対応する位置にセットする。７０４において、ステーションＢ２とでＱＫＤプロセスを開始するために、ステーションＢ１は信号をステーションＡ２に送信する。また、ステーションＡ２は、そのスイッチを対応する位置にセットする。７０６および７０８において、キーｋ１およびｋ２が確立されるまでステーション間で伝達が続く。
【００２５】
ステーションＡ１およびＢ１がキーｋ１を確立し、ステーションＡ２およびＢ２がキーｋ２を確立した後、次いで図８を参照すると、７１０において、ステーションＢ１およびＡ２は、それらのスイッチを、互いの間でＱＫＤ交換を開始する位置Ｂ１−Ａ２にセットする。７１２において、キーｋ３が確立されるまで、その交換は続く。キーｋ３がステーションＢ１およびＡ２間で確立された後に、次いで７１４において、ステーションＢ１はｍｂ１＝ｋ１  ＸＯＲ  ｋ３を形成および記録し、ｋ１およびｋ３を消去する。さらに、７１６において、ステーションＡ２は、ｍａ２＝ｋ３  ＸＯＲ  ｋ２を形成および記録し、ｋ３およびｋ２を消去する。
【００２６】
最後に、７１８において、秘密キーＳは、公開チャネルリンクＡ１−Ｂ１、Ｂ１−Ａ２、およびＡ２−Ｂ２越しにＰ１からＰ２へ伝達される。Ｐ１−Ａ１サイトはＢ１にｃａ１＝Ｓ  ＸＯＲ  ｋ１を送信し、Ｂ１はｃｂ１＝ｃａ１  ＸＯＲ  ｍｂ１を生成してＡ２に送信する。Ａ２はさらに、ｃａ２＝ｃｂ１  ＸＯＲ  ｍａ２を生成してＢ２に送信する。Ｂ２−Ｐ２サイトにおいて、最終動作ｃａ２  ＸＯＲ  ｋ２はＳを生成する。従来技術と異なり（例えば、上記参照されたＣ．Ｅｌｌｉｏｔ，Ｎｅｗ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ４（２００２）４６．１−４６．１２を参照）、秘密キーＳは各中間ステーションにおいて疑いのない状態であると明らかにされない。
【００２７】
図６を再び参照すると、本発明はさらに複雑な「２次元」メッシュもしくはグリッドＱＫＤシステムネットワーク３００を備えており、その中の各々のＱＫＤステーションは１×４スイッチを有している。ユーザターミナルＰ１がステーションＡ１１に取り付けられ、ユーザターミナルＰ２がＢ３４ステーションに取り付けられていると仮定する。秘密キーＳは、Ｐ１からＰ２へ、例えば、Ａ１１−Ｂ２１−Ａ２２−Ｂ２３−Ａ３３−Ｂ３４チェーンを介して伝達することができる。この場合、位相１において、キーはＡ１１−Ｂ２１、Ａ２２−Ｂ２３およびＡ３３−Ｂ３４ステーション間で確立される。位相２において、キーは、Ｂ２１−Ａ２２およびＢ２３−Ａ３３ステーション間で確立される。ステーションＢ２１、Ａ２２、Ｂ２３およびＡ３３は、隣接するステーションとで確立されたＸＯＲされたキーを保持している。
【００２８】
メッシュグリッドＱＫＤシステム３００には、いくつかの利点がある。第一に、ＱＫＤステーション間のリンクもしくはパスの少なくとも一つが壊れたり、危険にさらされた場合、ＱＫＤステーションのコントローラによって他のパスがすぐに確立される。第二に、あるユーザターミナルから他のユーザターミナルへ秘密キーが伝達される度に、どのリンクもしくはステーションが破損したかイブにわからないように他のルートが選択される。なお、注意点として、中間ステーションは、連邦情報処理規格（Ｆｅｄｅｒａｌ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ＦＩＰＳ）に基づいて、不正改ざん防止が施されている必要もある。
【００２９】
以上、本特許出願は、２００４年６月２８日に出願された、米国仮特許出願第６０／５８３，５１５号から優先権を主張する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】Ｐ１−Ａ−Ｂ−Ｐ２として配置された従来技術の２地点間ＱＫＤシステム（リンク）の概略図。
【図２】リレーステーションを備え、それ自身が２つのＱＫＤステーションＡおよびＢを有しており、ＱＫＤシステムネットワークがＰ１−Ａ−Ｂ１−Ａ２−Ｂ−Ｐ２の構成を有している、従来技術のＱＫＤシステムの概略図。
【図３】図２のＱＫＤシステムと同様の本発明に係るＱＫＤシステムの概略図。但し、その構成はＰ１−Ａ１−Ｂ−Ａ２−Ｐ２であり、リレーステーションは、単一のＱＫＤステーションＢと、ＱＫＤステーションＢが２つのＱＫＤステーションＡ１およびＡ２の両方と通信することを可能にするスイッチとを有している。
【図４】スイッチおよび量子光レイヤ間の光接続と、コントローラにより光スイッチの状態を変化させることを可能にする、スイッチおよびステーションのコントローラ間の電気的な接続とを示す、本発明に係るアリスもしくはボブのＱＫＤステーションの一例を示す高次元概略図。
【図５】ネットワークにおける隣接ＱＫＤステーション間で交換されたキーを示す、１次元グリッドのＱＫＤシステムネットワークの概略図。グリッドは、Ｐ１−Ａ１−Ｂ１−Ａ２−Ｂ２−Ｐ２として構成され、Ｂ１およびＡ２は光スイッチを有している。
【図６】隣接ＱＫＤステーション間で交換されたキーを示す、２次元グリッドのＱＫＤシステムネットワークの概略図。
【図７】図５のＱＫＤシステムネットワークに示すＱＫＤステーションのチェーンを介して、Ｐ１からＰ２へ秘密キーＳを伝達するために必要な操作の実施例を示すフロー図。
【図８】図５のＱＫＤシステムネットワークに示すＱＫＤステーションのチェーンを介して、Ｐ１からＰ２へ秘密キーＳを伝達するために必要な操作の実施例を示すフロー図。
【００３１】
これら図面に描かれた様々な構成は単に代表的なものであり、必ずしも実寸通りに描かれていない。強調された部分もあれば、縮小された部分もあり得る。これら図面は、当業者にとって理解および適切な実施が可能な本発明の様々な実施形態を例示することを意図している。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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