(57)【要約】【課題】量子鍵配送（ＱＫＤ）システム（２００）におけるレーザ（２０２）のタイミングを自動較正する方法を開示する。【解決手段】レーザ（２０２）は、コントローラ（２４８）からのレーザゲート信号（Ｓ０）に応じて、光子信号（２０４）を生成する。本方法は、まず、レーザゲート走査（３０４）を行って、ＱＫＤシステムの暗号化されたステーション（アリスとボブ）間で光子信号を交換するときの最適（例えば、最小）ビット誤り率ＢＥＲ（例えば、ＢＥＲＭＩＮ）に対応するレーザゲート信号の最適到達時間（ＴＭＩＮ）を確立すること、を備える。最適レーザゲート信号到達時間（ＴＭＩＮ）が決定されると、レーザゲート走査は終了され（３０６）、そして、レーザゲートディザプロセス（３０８）が開始され、システムが最適ＢＥＲであるいは最適ＢＥＲの近傍で確実に動作する。【選択図】図２
2008538680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作可能に暗号化されて結合されている２つのステーションと、１つの前記ステーションにおいてレーザを有している量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの自動較正方法であって、
ａ）前記レーザによって生成され、前記２つの暗号化されたステーションの間で交換される光子信号にとっての最適ビット誤り率ＢＥＲＭＩＮに対応する最適到達時間ＴＭＩＮを決定するために、レーザゲーティング信号を前記レーザに送り、第１範囲にわたって前記レーザゲーティング信号の到達時間Ｔを変えることによってレーザゲート走査を実行する工程と、
ｂ）前記ＢＥＲをＢＥＲＭＩＮ、あるいは、ＢＥＲＭＩＮの近くに維持するために、ＴＭＩＮ近傍の第２範囲Ｒ２にわたって前記到達時間Ｔを変えることによってレーザゲートディザリングを実行する工程と、
を備えている、量子鍵配送システムの自動較正方法。
【請求項２】
前記最適ビット誤り率ＢＥＲＭＩＮは、最小ビット誤り率である、
請求項１に記載の量子鍵配送システムの自動較正方法。
【請求項３】
前記レーザゲートディザリングを終了する工程と、他のレーザゲート走査を実行する工程とを含んでいる、
請求項１に記載の量子鍵配送システムの自動較正方法。
【請求項４】
前記ＱＫＤシステムは、プログラマブルコントローラとコンピュータ可読媒体とを有し、
前記レーザゲーティング信号は、前記コントローラによって提供され、
当該量子鍵配送システムの自動較正方法は、前記コントローラが、前記工程ａ）および前記工程ｂ）を前記ＱＫＤシステムに実行させる命令ができるように、前記コンピュータ可読媒体において具体化されている、
請求項１に記載の量子鍵配送システムの自動較正方法。
【請求項５】
レーザを有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて、コンピュータを制御するための命令をその中に有しており、以下に示すＱＫＤシステムの自動較正方法を実行することを具体化するコンピュータ可読媒体。
ａ）ＢＥＲＭＩＮの最適ビット誤り率（ＢＥＲ）に対応する最適到達時間ＴＭＩＮを決定するために、レーザゲーティング信号をレーザに送り、第１範囲Ｒ１にわたって前記レーザゲーティング信号の到達時間Ｔを変えることによって、レーザゲーティング走査を実行する工程と、
ｂ）前記ＢＥＲをＢＥＲＭＩＮ、あるいは、ＢＥＲＭＩＮの近くに維持するために、ＴＭＩＮ近傍の第２範囲Ｒ２にわたってレーザゲーティング信号の到達時間Ｔを変えることによってレーザゲートディザリングを行う工程。
【請求項６】
前記ＢＥＲＭＩＮは、最小ＢＥＲである、
請求項５に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項７】
レーザを有し操作可能にコントローラに結合された量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの鍵交換方法であって、
前記ＱＫＤシステムにおいて操作可能な暗号化されて結合されたステーションの間で、前記レーザによって生成された光子信号を交換する工程と、
レーザゲーティング信号の到達時間Ｔの範囲Ｒ１にわたって、前記コントローラから前記レーザにレーザゲーティング信号を送ることによって第１レーザゲート走査を実行する工程と、
前記第１レーザゲート走査から、第１最小ビット誤り率ＢＥＲＭＩＮに対応する前記レーザゲーティング信号のための第１最適到達時間ＴＭＩＮを確立する工程と、
前記第１ＴＭＩＮが確立されたとき、前記第１レーザゲート走査を終了する工程と、
ａ）前記ビット誤り率をＢＥＲＭＩＮ、あるいは、ＢＥＲＭＩＮの近くに維持するか、または、ｂ）新規の最小ビット誤り率ＢＥＲ’ ＭＩＮを確立するか、の何れかを行うために、前記第１ＴＭＩＮ近傍の到達時間の範囲Ｒ２にわたって到達時間Ｔを変える前記コントローラによって第１レーザゲートディザを実行する工程と、
備えている、量子鍵配送システムの鍵交換方法。
【請求項８】
前記レーザゲートディザを実行することによって、前記ビット誤り率ＢＥＲ’ＭＩＮと関連づけられる新規の最適到達時間Ｔ’ＭＩＮがもたらされる、
請求項７に記載の量子鍵配送システムの鍵交換方法。
【請求項９】
前記レーザゲートディザの実行を終了する工程と、
第２レーザゲート走査を実行する工程と、
前記第２レーザゲート走査を終了する工程と、
第２レーザゲートディザを実行する工程と、
をさらに含んでいる、請求項７に記載の量子鍵配送システムの鍵交換方法。
【請求項１０】
一連のレーザゲートディザを実行するように周期的に前記第１レーザゲートディザの繰り返す工程と終了する工程とをさらに含んでいる、
請求項７に記載の量子鍵配送システムの鍵交換方法。
【請求項１１】
量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの動作を制御するために適応された前記ＱＫＤシステムにおけるコンピュータを指示するために命令がそこに備えられ、前記ＱＫＤシステムを自動較正する以下の方法の実行を具体化するコンピュータ可読媒体。
前記ＱＫＤシステムにおいて操作可能に暗号化されて結合されたステーション間において、レーザにおいて到達時間Ｔを有するレーザゲーティング信号に応じた前記レーザによって生成された光子信号を送信する工程と、
第１最小ビット誤り率ＢＥＲＭＩＮに対応する第１最適到達時間ＴＭＩＮを確立するために、到達時間の範囲Ｒ１にわたって前記到達時間Ｔを変えることによって第１レーザゲート走査を実行する工程と、
前記第１ＴＭＩＮが確立されたとき、前記第１レーザゲート走査を終了する工程と、
ａ）第１最小ビット誤り率ＢＥＲＭＩＮを維持するか、あるいは、ｂ）新規の最小ビット誤り率ＢＥＲ’ ＭＩＮを確立するか、を行うために、第１ＴＭＩＮ近傍の到達時間の範囲Ｒ２＜Ｒ１にわたって到達時間Ｔを変える第１レーザゲートディザを実行する工程。
【請求項１２】
コントローラに操作可能な結合されたレーザを有している量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの自動較正方法であって、
前記コントローラから送信され、関連するレーザゲーティング信号タイミングＴを有しているレーザゲーティング信号で、前記レーザを起動することによって前記レーザで光子信号を生成する工程と、
ビット誤り率を確立するために、前記ＱＫＤシステムにおいて操作可能に暗号化され連結されているステーション間で前記光子信号を送る工程と、
第１最適ビット誤り率ＢＥＲＭＩＮに対応する前記レーザゲーティング信号の最適到達時間ＴＭＩＮを決定するために第１レーザゲート走査を実行する工程と、
ＴＭＩＮが確立されたとき、前記第１レーザゲート走査を終了する工程と、
ａ）前記ビット誤り率を前記第１最適ビット誤り率ＢＥＲＭＩＮ、あるいは、前記第１最適ビット誤り率ＢＥＲＭＩＮの近くに維持する、あるいは、ｂ）第２最適ビット誤り率ＢＥＲ’ＭＩＮを確立するために、ＴＭＩＮ近傍の前記レーザゲーティング信号タイミングを周期的にディザリングする工程と、
を備えている、量子鍵配送システムの自動較正方法。
【請求項１３】
前記レーザゲート信号ディザリングを終了する工程と、
第２レーザゲート走査を実行する工程と、
をさらに含んでいる、請求項１２に記載の量子鍵配送システムの自動較正方法。
【請求項１４】
操作可能に暗号化されて結合されたステーションを有しており、レーザが一方の前記ステーションに操作可能に連結されている量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの自動較正方法であって、
前記暗号化されたステーション間で光子信号を交換する際、最適エラー誤り率と対応するレーザゲーティング信号の最適到達時間を確立するためにレーザゲート走査を実行する工程と、
前記レーザゲート走査を終了する工程と、
前記ビット誤り率を前記最適ビット誤り率、あるいは、前記最適ビット誤り率の近くに維持し、前記レーザゲート信号の前記到着時間の微調整を行うために、前記到着時間の最適値近傍の前記レーザゲーティング信号の到着時間を変えることによってレーザゲートディザプロセスを実行する工程と、
を備えている、量子鍵配送システムの自動較正方法。
【請求項１５】
前記最適ビット誤り率は、最小ビット誤り率である、
請求項１４に記載の量子鍵配送システムの自動較正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号の分野に関し、量子暗号法における産業上の有用性を有している。特に、システムパフォーマンスを最適に維持するための量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの自動較正装置および方法に関し、その装置および方法に関連する産業上の有用性を有している。
【背景技術】
【０００２】
量子鍵配送は、“量子チャネル”を通して伝送される弱い（例えば、平均０．１の光子）光学信号、すなわち“光子信号”を用いることにより、送信器（「アリス」）と受信器（「ボブ」）との間のキーを確立すること、を含んでいる。量子鍵配送の安全性は、不確定状態にある量子システムのどのような測定もその状態を変えてしまうという量子力学的原理に基づいている。その結果、光子信号を傍受あるいは測定することを試みる盗聴者（「イブ」）は、送信信号にエラーを与え、イブの存在を明らかにする。
量子暗号法の概略的な原理は、ＢｅｎｎｅｔｔおよびＢｒａｓｓａｒｄ共著論文（非特許文献１）や、Ｂｅｎｎｅｔｔらによる論文（非特許文献２）において述べられている。具体的なＱＫＤシステムは、Ｂｅｎｎｅｔｔの特許文献１（‘４１０特許）において説明されている。
【０００３】
Ｂｅｎｎｅｔｔによる上述の非特許文献および‘４１０特許は、いわゆる“ワンウェイ”（一方向型）ＱＫＤシステムを説明している。一方向型ＱＫＤシステムでは、アリスが、単一の光子の偏光すなわち位相をランダムにコード化し、ボブが、光子の偏光すなわち位相をランダムに測定する。４１０特許において説明された一方向型ＱＫＤシステムは、２つの光ファイバーマッハ‐ツェンダー干渉計に基づいている。干渉測定システムのそれぞれの部分は、アリスおよびボブによってアクセス可能であり、これにより、それぞれが、干渉計の位相を制御することができる。アリスからボブへと送信された信号（パルス）は、時間的に多重化され、経路を異にする。この結果、干渉計は、熱変動（ドリフト）を補償するために、伝送の際に、量子信号波長の部分内に能動的に安定させる必要がある。
Ｇｉｓｉｎの特許文献２（’２３４特許）は、自動補償干渉計を用いた、いわゆる“ツーウェイ” （双方型）ＱＫＤシステムを開示している。このような自動補償干渉計は、偏光および温度変化が自動的に補償されることが知られている。このため、‘２３４特許における双方型ＱＫＤシステムは、概して、一方向型ＱＫＤシステムよりも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６，４３８，２３４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】“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ,”Ｊ．Ｃｒｙｐｔｏｌｏｇｙ，（１９９２）５：３−２８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
商用のＱＫＤシステムが稼働するとき、最適システムパフォーマンスのためには、多数の変数が時間内に一列に並べられて、そして、一列に並べられたことを維持する必要がある。例えば、商業ベースのＱＫＤシステムでは、１つ以上の単一光子検出器（ＳＰＤ）をコントローラからのゲート信号でゲート制御し、これにより、光学パルスの検出を予定パルス到達時間と同期させる。しかしながら、システムをセットアップしても、タイミングは種々のシステム的・環境的要因により変動する。このことは、光子カウントを低下させ、その結果、システムの伝送速度の低下およびビット誤り率（ＢＥＲ）の増加、つまり、最適でないシステム性能を招く。
実験室レベルおよびプロトタイプのＱＫＤシステムは、よく制御された人為的な条件の下、システム変動を考慮して調整することができるが、実際のフィールドにおける商用のＱＫＤシステムにおいて、最適あるいは最適に近い性能を維持するために必要な調整を行うために、大変な努力を要する。そして、実験室レベルおよびプロトタイプのＱＫＤシステムとは異なり、商用のＱＫＤシステムのエンドユーザは、最小限のオペレータの関与あるいはオペレータの関与なしに、ＱＫＤシステムが自動的に最適状態で動作することを期待している。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様は、操作可能に暗号化されて連結された２つのステーションを有するＱＫＤシステムを自動較正する方法である。暗号化されたステーションのうちの１つは、コントローラによって動作可能に連結されるレーザを有している。本方法は、レーザゲート信号Ｓ０をコントローラからレーザに送信し、第１選択範囲Ｒ１にわたってその信号の到達時間Ｔを変更することによってレーザゲート走査を行なう工程を備えている。また、本方法は、ＱＫＤシステムの暗号化されたステーション間で光子信号を交換するときに、最適ＢＥＲ（例えば、最小値、ＢＥＲＭＩＮ）に対応するレーザゲート信号の最適タイミングＴＭＩＮを決定する工程を備えている。さらに、本方法は、ＴＭＩＮ周辺の第２選択範囲Ｒ２にわたって到達時間Ｔを変更することによりレーザゲート信号ディザリングを行って、ＢＥＲを最小ＢＥＲＭＩＮ、あるいは、最小ＢＥＲＭＩＮの近傍などの最適値に維持する工程を備えている。
【０００６】
本発明の第２の態様は、操作可能に暗号化されて接続された２つのステーションを有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて、鍵を交換する方法である。そして、暗号化されたステーションのうちの１つにおいて、レーザがコントローラに連結されている。本方法は、レーザを用いて光子信号を生成する工程と、ＱＫＤシステムにおける暗号化されたステーション間で光子信号を交換してＢＥＲを確立する工程とを備えている。また、本方法は、第１レーザゲート走査を行う工程を備えている。第１レーザゲート走査は、レーザゲート信号到達時間の範囲Ｒ１にわたって、コントローラからレーザへレーザゲート信号Ｓ０を送信することにより行われ、第１最適ＢＥＲに対応するレーザゲート信号の第１最適到達時間ＴＭＩＮを確立する。また、本発明は、第１ＴＭＩＮが確立されたとき第１レーザゲート走査を終了する工程と、その時に第１レーザゲートディザを行う工程とを備えている。第１レーザゲートディザは、第１ＴＭＩＮ周囲の到達時間の範囲Ｒ２にわたって（最適）レーザゲート信号の到達時間Ｔを変えるコントローラによって行われ、第１最適ＢＥＲ（例えば、ＢＥＲＭＩＮ）、あるいは、範囲Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ１）にわたる異なる最適ＢＥＲ（例えば、ＢＥＲ’ ＭＩＮ）のいずれかを維持する。
【０００７】
本発明の第３の態様は、上述した本発明の第２の態様の継続であり、レーザゲートディザを行なうことで、新しい最適到達時間Ｔ’ ＭＩＮをもたらす。本発明の第３の態様は、レーザゲートディザを終了する工程と、第２レーザゲート走査を行なう工程と、第２レーザゲート走査を終了する工程とを含んでおり、その時に第２レーザゲートディザを行なうことにより最適ＢＥＲを自動的に再確立し、その結果、最適な（あるいは、最適に近い）ＱＫＤシステム性能を再確立する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、ＱＫＤシステムの自動較正を行ない、最適なシステム性能を維持する方法に関する。詳細には、本発明は、ＱＫＤシステム稼働の際に、最適レーザゲート信号タイミングを維持するために、レーザゲート信号タイミングの走査を行って最適レーザゲート信号位置（タイミング）を決定する工程と、レーザゲート信号タイミングディザリングを行なって、最適レーザゲーティング信号タイミングを維持する工程と、を備えている。これにより、全体として、ＱＫＤシステムの最適動作に概ね対応する最適（例えば、最小）ＢＥＲがもたらされる。
例示的な実施形態では、本発明は、プログラムされたコントローラによって行なわれ、オペレータの関与なしに、理想的な状態あるいは理想的に近い状態で動作するようにシステムが維持される。
【０００９】
このような自動較正は、商用で実現可能なＱＫＤシステムに対して、重要である。
本発明は、偏光コード化あるいは位相コード化のいずれかを用い、そして１つ以上の単一光子検出器を用いるワンウェイ、ツーウェイ、リングトポロジおよびｎウェイＱＫＤシステムに適用可能である。以下に、本発明を、位相コード化と、２つの検出器を有する単一光子検出器ユニットと、を用いる２ウェイＱＫＤシステムの例示的な実施の形態と関連して、説明する。ＱＫＤシステムのこの選択は、単に、本発明の方法を例示するためのものであり、限定を意図するものではない。
また、以下の説明において、“ゲート信号”は、信号が送信される構成要素をアクティブにする信号であり、構成要素のアクティブ化は、信号の期間（幅Ｗ）に対応している。このように、レーザゲート信号は、レーザをレーザゲート信号の間（つまり幅）アクティブにする。アクティブ化は、信号（パルス）の前端から始まり、信号の後端で終了する。パルスレーザの場合には、光学パルスが、レーザから、レーザゲート信号の幅にあるポイントで（たとえば、ゲート信号の立ち上がりエッジで）出射される。その結果、生じる光学パルスは、レーザゲート信号の幅より小さな光学パルス幅を有することになる。
【００１０】
また、以下に説明する通り、レーザは、ＱＫＤシステムの２つの暗号化されたステーションの間で鍵を交換し、ＢＥＲを確立するために用いられる光学パルスを生成する。好ましい実施形態では、レーザから出射後、レーザパルスは減衰し、平均で１つ以下の光子を有する量子パルス（以下、“光子信号”という）を形成する。したがって、以下の説明および特許請求の範囲において、句“レーザによって生成される光子信号”および同様の句は、レーザが、後で（例えば、可変減衰器によって）減衰して光子信号を形成する比較的強い光学パルスを生成する場合、また、レーザが単一光子源あるいはそうでなければ単一光子源に含まれている場合も同様に含むものとして理解される。
［ＱＫＤシステムの実施形態］
図１は、本発明の方法を適合した折り返しＱＫＤシステム２００の例示的な実施の形態の概略図である。システム２００は、２つの動作可能に連結されるキーコード化（“暗号化”）されたステーション、送信／受信ステーション（ボブ）と、反射ステーション（アリス）と、を備えている。以下、単に、“ボブ”および“アリス”という。
【００１１】
［ボブ］
引き続いて図１を参照して、ボブは、光学パルス２０４を出射するレーザ２０２を有する。例示的な実施の形態では、レーザ２０２は、レーザダイオードで、バック・ファセット・モニター（ＢＦＭ）２０３を有している。レーザ２０２は、入力端部２０８Ａと、入出力端部２０８Ｂと、検出器出力端部が２０８Ｃと、を有する時分割多重化／多重分離光学系２０６に連結される。光学系２０６は、入力端部２０８Ａで入力光学パルス２０４を受けて、各パルスを２つの時分割多重化された直交偏光光学パルスＰ１，Ｐ２に分離し、それらを入出力端部２０８Ｂで出力する。同様に、光学系２０６は、また、以下に説明する通り入出力端部２０８Ｂで光学パルスを受ける。
単一光子検出器（ＳＰＤ）ユニット２１６は、光学系２０６に検出器出力端部２０８Ｃで連結される。例示的な実施の形態では、ＳＰＤユニット２１６は、２つのＳＰＤ２１６Ａ，２１６Ｂを有する。位相変調器（ＰＭ）２２０は、光学系入出力端部２０８Ｂに連結される（例えば、光ファイバーによって）。光ファイバー２４０は、ボブをアリスにＰＭ２２０で接続する。
【００１２】
ボブは、また、後述する通り、レーザ２０２と、ＢＦＭ２０３と、ＳＰＤユニット２１６と、ＰＭ２２０とを操作可能に（例えば、電気的に）連結されているコントローラ２４８を有しており、これらの構成要素の動作をコントロールする。例示的な実施の形態では、コントローラ２４８は、コンピュータ可読媒体２５０に記憶された命令（例えば“ソフトウェア”）を実行可能なプログラマブルコンピュータであるか、あるいは、コンピュータ可読媒体２５０に記憶された命令（例えば“ソフトウェア”）を実行可能なプログラマブルコンピュータを有する。例示的な実施の形態では、コンピュータ可読媒体２５０に記憶された命令は、後述する通り、本発明にかかる方法を含んでいる。
［アリス］
アリスは、光ファイバー２４０に接続される可変光減衰器（ＶＯＡ）２６４を有する。位相変調器（ＰＭ）２６６は、ＶＯＡ２６４の下流に配置され、ＶＯＡ２６４に光学的に連結される。ファラデーミラー２７０は、ＰＭ２６６の下流に配置され、ＰＭＡ２６６に光学的に連結される。
【００１３】
アリスは、また、ＰＭ２６６と、ＶＯＡ２６４と、に動作可能（例えば、電気的に）連結されるコントローラ２８８を有している。例示的な実施の形態では、コントローラ２８８は、コンピュータ可読媒体２８９に記憶された命令（例えば、“ソフトウェア”）を実行可能なプログラマブルコンピュータを有する。例示的な実施の形態では、コンピュータ可読媒体２８９に記憶された命令は、後述する通り、本発明にかかる方法を含んでいる。
コントローラ２４８，２８８は、同期リンク２９０を介してリンクされ（例えば、電気的にあるいは光学的に）、アリスおよびボブの動作を同期させる。詳細には、アリスとボブとの間で量子鍵を交換するとき、レーザ２０２、位相変調器２２０，２６６、およびＳＰＤユニット２１６の動作は、ゲート信号Ｓ０，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ１をそれぞれ用いて発せられた光学パルス２０４に関連して、コントローラ２４８，２８８によって調整されてコントロールされる。したがって、例示的な実施の形態では、コントローラ２４８，２８８はＱＫＤシステムの一つのコントローラの構成と見なされる。
【００１４】
［ＱＫＤシステムの動作］
引き続き図１を参照して、システム２００の動作において、レーザゲート信号Ｓ０が、コントローラ２４８によってレーザ２０２に送信され、光学パルス２０４を生成する。そして、光学パルス２０４は、時分割多重化／多重分離化光学系２０６によって、２つの別のパルスＰ１，Ｐ２に分離される。例示的な実施の形態では、パルスＰ１，Ｐ２は比較的弱いパルスであるが、ボブに返る前にアリスで減衰される強いパルスとすることもできる。光学パルスＰ１，Ｐ２は、光学系入出力端部２０８Ｂを通り抜けて、パルスが未変調で通過できるようゲート制御されるＰＭ２２０へと向かう。そして、パルスＰ１，Ｐ２は、光ファイバー２４０を介してアリスへと向かう。パルスＰ１，Ｐ２は、必要に応じてパルスを減衰できるＶＯＡ２６４へと進行を続ける。パルスは、そして、ＰＭ２６６を通り抜けて、ファラデーミラー２７０によって反射され、ついで、再びＰＭ２６６を通って戻る。
【００１５】
パルスＰ１，Ｐ２のＰＭ２６６の通過の一方の際に、ＰＭが、パルスの一方−例えば、パルスＰ１−を変調し、位相変調されたパルスＰ１’を形成する。このことは、パルスＰ１が、ＰＭ２６６を通り抜けるとき、ＰＭ２６６を短い時間（つまり、パルス間の時間間隔未満）アクティブにし、タイミングが合わされたゲート信号Ｓ１を送信するコントローラ２８８によって達成される。そして、パルスＰ１，Ｐ２は、必要に応じてパルスを減衰することができるＶＯＡ２６４を通り抜けて戻り、光子信号（つまり、光子の平均数１以下の光学パルス）がボブとアリスとの間で交換されることを保証する。
そして、パルスは、光子信号としてボブへと戻って、ＰＭ２２０へと進む。そして、ＰＭ２２０は、パルスのうちの１つ−例えば、他方の未変調のパルスＰ２−を、選択位相変調値のうちの１つで、ランダムに変調するよう指示され、変調パルスＰ２’を形成する。このことは、パルスＰ２がＰＭ２２０を通り抜ける短時間に位相変調器をアクティブにするＰＭ２２０へ、よくタイミングが合わされたゲート信号Ｓ２を出力するコントローラ２４８によって達成される。
【００１６】
変調されているパルスＰ１’，Ｐ２’は、光学系２０６へと進行を続ける。光学系２０６は、パルスを結合し、結合パルスＰ３を形成する。ＳＰＤ２１６Ａ，２１６Ｂは、検出器ゲート信号の幅（つまり、ゲーティング間隔）と等しい時間だけアクティブとなるよう、検出器ゲート信号Ｓ３によってゲート制御される。結合されたパルスＰ３が検出器ゲーティング間隔中にＳＰＤのうちの１つに到達する場合、ＳＰＤユニット２１６は、ＰＭ２６６，２０６によってパルスＰ１，Ｐ２にそれぞれ与えられる相対的位相に対応するコントローラ２４８への信号を出力する。例示的な実施の形態では、検出器２１６Ａ，２１６Ｂの一方は、干渉されたパルスＰ３を、干渉が強め合うか弱め合うかに応じて受信する。与えられた位相が強め合いも弱め合いもしない場合、パルスＰ３は等確率でいずれかのＳＰＤに行き着く。
【００１７】
所望の数の光子信号が交換されると、鍵は標準的な技術を用いて−例えば、アリスとボブとが、公に測定基礎を比較して、同じ測定基礎に対応する測定（ビット）を単に保存することによって−導き出される。これにより、ふるいにかけられた鍵（ｓｉｆｔｅｄ  ｋｅｙ）が形成される。そして、Ｂｅｎｎｅｔｔらによる前述の論文“実験的量子暗号法（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ）”（非特許文献２）の８〜１０ページに記載されている通り、ふるいにかけられた鍵におけるビット位置の順序が入れ替えられ、入れ替えられた鍵がブロックへと分断される。そして、アリスとボブとは、各ブロックをパリティに関してテストし、エラービットを識別して廃棄する。このプロセスは、ふるいにかけられた鍵におけるエラー回数が十分に低減されるか、あるいは、排除されるまで繰り返され、安全な量子鍵を確立する。このプロセスは、またＢＥＲを決定することを可能とするとともに、本発明の例示的な実施の形態において用いられ、後述する方法においてＢＥＲを決定する。
【００１８】
イブがボブとアリスとの間で送信されている弱い光学パルスを傍受することによって、あるいは、測定する試みによって、光ファイバー２４０を盗聴する行為は、交換されている光子の量子的性質に基づき、必ず鍵にエラーをもたらすことになる。しかしながら、ビットエラーは、ノイズ（例えば、検出器暗電流）、あるいは、適切に較正されていないシステムにも起因しても生じる。例えば、レーザ２０２のアクティブ化、あるいは、ＳＰＤユニット２１６のゲーティングのタイミングが最適でない場合、パルス２０４は、適切な時に送信されないか、または、検知されないかもしれない。この結果、ＢＥＲが増加する。
［最適システム動作の維持方法］
図２は、図１のＱＫＤシステム２００などのＱＫＤシステムの最適なシステム動作を維持する方法の例示的な実施形態のフローチャート３００である。本方法は、後述するように、レーザゲート走査およびレーザゲートディザの両方を行なう工程を含んでいる。
【００１９】
３０２において、鍵交換プロセスは、レーザゲート信号Ｓ０をレーザ２０２に送信するコントローラ２４８によって開始される。レーザゲート信号Ｓ０に応じて、レーザ２０２は、光学パルス２０４を出射し、時分割多重化の光学パルスＰ１，Ｐ２を、ボブからアリスへ送信する。このプロセスは、コントローラ２８８がゲート信号Ｓ１を介してＰＭ２６６に命令し、パルスのうちの一方を位相変調する工程と、パルスをボブへと戻るよう進行させる工程と、他方のパルスを変調する工程と、変調されたパルスを結合する工程と、結合されたパルスＰ３をＳＰＤユニット２１６において検出する工程とを含んでいる。このプロセスは、上述の通り、ふるいにかけられた鍵を形成し、かつ、ＢＥＲを確立するのに十分な時間の中で実行される。
３０４において、レーザゲート走査が行なわれる。このことは、タイミング値の選択された範囲Ｒ１にわたってレーザゲート信号Ｓ０のタイミング（例えば、到達時間Ｔ）を変更する工程を含んでおり、最適ＢＥＲ、つまり、ＢＥＲＭＩＮを与える最適ゲートタイミング（到達時間）ＴＭＩＮを確立する。
【００２０】
注目すべき点は、ＳＰＤユニット２１６が２つの検出器２１６Ａ，２１６Ｂを有する場合、ＳＰＤユニットにおいて生じるドリフト（例えば、熱ドリフト）がＳＰＤ２１６Ａ，２１６Ｂにほぼ同じ程度影響し、２つのＳＰＤはともにドリフトすることは、一般的によい仮定であるということである。
図３は、レーザゲート走査およびレーザゲートディザのレーザゲート信号Ｓ０のタイミングＴに関する関数としてのＢＥＲを表した例示的なグラフである。Ｘ軸は、最適（例えば、最小）ビット誤り率ＢＥＲＭＩＮに対応するタイミングＴＭＩＮを見つけるために変更される、レーザ２０２におけるレーザゲート信号Ｓ０の相対的タイミング（例えば、到達時間Ｔ）を表わしている。本発明の状況においては、ＢＥＲＭＩＮは最適なシステム性能と一致する。なぜなら、ＢＥＲＭＩＮは、暗電流カウントの増加がなく、タイミングに対して最も高いデータ転送速度および最も高い光子信号感度レベルに対応するからである。同様に、本発明の例示的な実施の形態では、最適光子信号タイミングは、ＢＥＲを最適化するものであると同時に、後述する通り、レーザゲートディザリングを可能にするスムーズな検出器レスポンスを維持するものである。
【００２１】
図３のカーブは、タイミング値Ｔ（Ｘ軸）のタイミング範囲Ｒ１わたってレーザゲート信号Ｓ０の到達時間Ｔをインクリメントすることによって得られ、ＢＥＲ値を得るためにＱＫＤシステムを実行した。例示的な実施の形態では、到達時間Ｔは、基準（例えば、コントローラ２４８によって出力されるクロック基準時間）に対して相対的なレーザゲート信号の前端の位置に対応する。
ＴＭＩＮおよびＢＥＲＭＩＮが決定されると、次に、プロセスは３０６に移行する。そこでは、レーザゲート走査が終了する（つまり、ＯＦＦにされる）。
３０８において、レーザゲートディザリングが行なわれる。このことは、でタイミング範囲Ｒ２内における到達時間ＴＭＩＮの周辺で、少しずつ、レーザゲート信号Ｓ０のタイミング（例えば、到達時間Ｔ）を繰り返し変化させる（つまり、レーザゲート信号が“ディザされる”）工程と、ＢＥＲの変化を観察する工程とを含んでいる。必要に応じて、到達時間Ｔは、オリジナルの最適値ＴＭＩＮから新しい最適値Ｔ’ ＭＩＮへとシフトされ、ＢＥＲがＢＥＲＭＩＮに（あるいは、新しい最適ＢＥＲのＢＥＲ’ＭＩＮへと）維持される。なお、タイミング範囲Ｒ２は、タイミング範囲Ｒ１より小さく（つまり、Ｒ２＜Ｒ１）、かつ、ＴＭＩＮの周辺で比較的小さな範囲を囲んでいる。
【００２２】
例示的な実施の形態において、タイミング範囲Ｒ２はセキュリティ攻撃者（例えば、イブ）がタイミングを望ましくない位置へと導かない程度に十分に小さく、かつ、ディザリング処理が正常に行える程度に、つまり、ＢＥＲＭＩＮに、あるいは、ＢＥＲＭＩＮの近くにＢＥＲを維持することを可能にするＢＥＲの変化をもたらす程度に、十分に大きくなるように選択されている。
図３を再び参照して、カーブ上の４つのデータポイントｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４を、例示のためにハイライトしておく。データポイントｄ１が、まず測定されたとすると、次に、より大きな到達時間Ｔに関連するデータポイントｄ２が測定される。ｄ２に関連するＢＥＲが、ｄ１と関連するＢＥＲより大きいので、レーザゲート信号Ｓ０の到達時間Ｔが、低減される。データポイントｄ１に関連するレーザゲート信号位置（タイミング）のＢＥＲが、再度測定される。２回目のデータポイントｄ１に関連するＢＥＲが、データポイントｄ２と関連するＢＥＲより小さいので、到達時間Ｔはさらに低減され、そして、ＢＥＲが測定される。その結果が、データポイントｄ１のＢＥＲよりも小さいＢＥＲを有するデータポイントｄ３である。到達時間Ｔは、こうして、再度低減されて、このとき、データポイントｄ４に関連するよりも高いＢＥＲが得られる。この測定がｄ３のＢＥＲより大きいので、レーザゲート信号Ｓ０の到達時間Ｔが、増加されるが、データポイントｄ２と関連する値ほどには戻らない。
【００２３】
このように、レーザゲート信号タイミングは、ＴＭＩＮの周囲で前後に変更され（“ディザされ”）、これにより、最小（あるいは最小に近い）ＢＥＲを維持する。このように、ＳＰＤユニット２１６の通常動作に際し、レーザゲートディザプロセスは、単一光子感度を高く保持する。レーザゲートディザリングの周波数は、十分な数の光子信号を交換することができるレートによって、および交換された光子信号からのＢＥＲの計算におけるコントローラの処理速度によってのみ制限される。
３１０に、他のレーザゲート走査の開始によるレーザゲート信号Ｓ０の自動較正を行なう選択を示す。このような自動較正が望ましいか、あるいは必要であると考えられる場合、方法は３１２に移行する。３１２において、レーザゲートディザがＯＦＦにされ、プロセスが、３０４のレーザゲート走査に戻り、新しい最適到達時間ＴＭＩＮを見つけるようレーザゲートタイミングの較正の更新が行われる。この較正の更新は、環境の変化の検出、あるいは通常のシステムドリフトのためなど、種々の理由で行なわれることが必要となりうる。
【００２４】
例示的な実施の形態では、以下の状況のうちのいずれかが起きた場合、ＱＫＤシステムの自動較正が行なわれる。ａ）統計限度外への光子カウントレベル、すなわち、ＢＥＲにおける変化、ｂ）０．５℃など所定量より大きな周囲温度変化が生じる、ｃ）光子カウントレベルの変化の前に、ペンディングイベントのメッセージが送信されるような、イベントａ）と異なり、スイッチングネットワークエレメントによるような、光学通路の環境設定が変化した、ｄ）既知の一日の温度サイクルによる一日のスケジュール、ｅ）必要の有無にかかわらず、例えば、毎時間等、一定の時間に基づいて。
レーザゲート走査を行なう前にはレーザゲートディザをＯＦＦにする必要が生じる。２つのプロセスが互いに干渉し合うからである。具体的には、レーザゲート走査は、スムーズな（つまり、インクリメンタルな）方法で、レーザゲート信号Ｓ０のタイミング幅をインクリメントしようとする一方で、レーザゲートディザは、変数を、最適ＢＥＲのＢＥＲＭＩＮでとどめるために、小さなインクリメントで前後に調整しようとする。結果的に、２つの競合するプロセスは、不要な影響を引き起こす。したがって、３０４のレーザゲート走査に際してのレーザゲート信号パラメーターの走査および更新に続いて、レーザゲートディザは、自動的に（あるいは手動で）ＯＮに戻される。
【００２５】
自動較正を行う要請や必要がない場合、本方法は、例えば、毎秒かそのくらいで、上述の通り繰り返される、３０８のレーザゲートディザプロセスのままでとどまる。ＢＥＲをＢＥＲＭＩＮを維持するか、あるいは、ＢＥＲＭＩＮを新しく対応する最小値、例えば、ＢＥＲ’ ＭＩＮ，ＢＥＲ” ＭＩＮなど、に維持するために、周期的なレーザゲートディザプロセスは、一般に、ＴＭＩＮの値のわずかな変化（例えば、ＴＭＩＮからＴ’ ＭＩＮ、Ｔ” ＭＩＮへ等）をもたらす。
明瞭化と簡単化のために、本発明では、“最小ＢＥＲ”はＢＥＲＭＩＮ，ＢＥＲ’ ＭＩＮ，ＢＥＲ” ＭＩＮなどを意味するものとできる。同様に、“最適到達時間ＴＭＩＮ”は、変化でき、そのため、本発明においては、ＴＭＩＮ，Ｔ’ ＭＩＮ，Ｔ” ＭＩＮなどを意味するものとできる。同様に、概して、ここに用いられる“最小ＢＥＲ”は、例えば、標準ＢＥＲ測定およびＢＥＲ補正プロシージャを用いるＱＫＤプロセスの際のビット誤り率の測定に基づくフィガ・オブ・メリット（ｆｉｇｕｒｅ  ｏｆ  ｍｅｒｉｔ）をいう。
【００２６】
例示的な実施の形態では、本発明の１つ以上の方法は、コンピュータ可読媒体２５０，２８９の少なくとも一方で具現化され、そして、コントローラ２４８，２８８の少なくとも一方によって実行される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明の方法を実現するために適したツーウェイＱＫＤシステムの例示的な実施の形態である。
【図２】図２は、光子信号を交換する際にＢＥＲを最適化するために、レーザゲート信号タイミングの走査する工程およびディザリングする工程を備えたレーザ自動較正方法を例示するフロー図である。
【図３】図３は、図１に示すようなＱＫＤシステムの単一光子レーザゲート走査を示す例示的なグラフであり、Ｙ軸は、ＢＥＲ、Ｘ軸は、レーザゲート信号Ｓ０のタイミング（到達時間）Ｔである。
【００２８】
図に示した種々の構成要素は、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２】
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【図３】
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