(57)【要約】【課題】量子鍵配送（ＱＫＤ）システム（２００）における単一光子検出器（ＳＰＤ）を較正する方法を提供する。【解決手段】この方法は、ビット誤り率（ＢＥＲ）を確立するために、光子信号（Ｐ１，Ｐ２）を交換することを含む。また、この方法は、最適（例えば最小）ＢＥＲに対応する最適到達時間（ＴＭＩＮ）を確立するために、信号到達時間（Ｔ）を変更する検出器ゲート信号タイミング走査（３１４）を実行することを含む。そして、検出器ゲート信号（Ｓ３）のタイミングが、ディザーされる（３１８）。これは、ＱＫＤシステムが最適ＢＥＲ（ＢＥＲＭＩＮ）で、あるいは最適ＢＥＲ（ＢＥＲＭＩＮ）の近くで動作することを保証するために、最適到達時間の周囲で検出器ゲート信号到達時間を変更すること、を含んでいる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作可能に連結されたコード化ステーションとこのコード化ステーションのうちの１つにある単一光子検出器（ＳＰＤ）ユニットとを備える量子鍵配送（ＱＫＤ）システム自動較正方法であって、当該方法は、
ａ）２つのコード化ステーション間で交換される光子信号のための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、検出器ゲート信号をＳＰＤユニットに送信し、第１範囲Ｒ１にわたって検出器ゲート信号の到達時間Ｔを変更することにより、検出器ゲート信号タイミング走査を実行することと、
ｂ）ＢＥＲをＢＥＲＭＩＮにあるいはＢＥＲＭＩＮの近くに維持するために、ＴＭＩＮ周辺の第２範囲Ｒ２にわたって到達時間Ｔを変更することにより、検出器ゲート信号タイミングディザリングを実行することと、
を備えている。
【請求項２】
請求項１に記載のＱＫＤシステム自動較正方法であって、
前記検出器ゲート信号タイミングディザリングを終了することと、もう１つの検出器ゲート信号タイミング走査を実行することと、を備えるＱＫＤシステム自動較正方法。
【請求項３】
請求項１に記載のＱＫＤシステム自動較正方法であって、
前記ＱＫＤシステムは、
プログラマで制御可能なコントローラと、
コンピュータ読み取り可能な媒体と、
を、備え、
前記検出器ゲート信号は前記コントローラによって供給され、
当該ＱＫＤシステム自動較正方法は、前記コントローラは、前記ＱＫＤシステムが機能ａ）およびｂ）を実行するために指示可能となるように、前記コンピュータ読み取り可能な媒体において具体化されている、ＱＫＤシステム自動較正方法。
【請求項４】
請求項１に記載のＱＫＤシステム自動較正方法であって、
最適ビット誤り率に対応する最適幅ＷＭＩＮを決定するために、第１幅範囲ＲＷ１にわたって前記検出器ゲート信号の幅Ｗを変更することにより、検出器ゲート信号幅走査を実行することを備えるＱＫＤシステム自動較正方法。
【請求項５】
請求項４に記載のＱＫＤシステム自動較正方法であって、
前記検出器ゲート信号幅を前記最適幅ＷＭＩＮにあるいは最適幅ＷＭＩＮの近くに維持するために、ＲＷ２＜ＲＷ１となる第２幅範囲ＲＷ２にわたって前記幅Ｗを変更することによる検出器ゲート信号幅ディザリングの実行を備えるＱＫＤシステム自動較正方法。
【請求項６】
検出器ユニットを有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおけるコンピュータを命令するための指示を有するコンピュータ読み取り可能な媒体であって、前記ＱＫＤシステムを自動較正する以下の方法を実行する、
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、検出器ゲート信号をレーザに送信し、第１範囲Ｒ１にわたって前記検出器ゲート信号の到達時間Ｔを変更することにより、検出器ゲート信号タイミング走査を実行すること。
【請求項７】
請求項６に記載のコンピュータ読み取り可能な媒体であって、前記ＢＥＲをＢＥＲＭＩＮの前記最適ＢＥＲにあるいはＢＥＲＭＩＮの前記最適ＢＥＲの近くに維持するために、ＴＭＩＮ周辺の第２範囲Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ１）にわたって前記検出器ゲート信号の前記到達時間Ｔを変更することにより、検出器ゲート信号タイミングディザリングを実行することを、前記コンピュータに命令するために、そこで具現化された指示をさらに備えるコンピュータ読み取り可能な媒体。
【請求項８】
請求項６に記載のコンピュータ読み取り可能な媒体であって、ＢＥＲＭＩＮの前記最適ＢＥＲは、最小ＢＥＲであるコンピュータ読み取り可能な媒体。
【請求項９】
コントローラに操作可能に連結された単一光子検出器（ＳＰＤ）ユニットを備える量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおける鍵交換方法であって、
ビット誤り率（ＢＥＲ）を確立するために、前記ＱＫＤシステムにおけるコード化ステーション間における光子信号を交換することと、
検出器ゲート信号を前記コントローラから前記ＳＰＤユニットへ到達時間Ｔの範囲にわたって送信することにより、第１検出器ゲート信号タイミング走査の実行することと、
ＢＥＲＭＩＮの第１最適ＢＥＲに対応する前記検出器ゲート信号の第１最適到達時間ＴＭＩＮの確立することと、
を備える鍵交換方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のＱＫＤシステムにおける鍵交換方法であって、
前記第１最適到達時間ＴＭＩＮが確立されたとき、前記第１検出器ゲート信号タイミング走査を終了することと、
ＢＥＲＭＩＮの前記ＢＥＲあるいはＢＥＲ’ＭＩＮの異なる最小ビット誤り率ＢＥＲのいずれかを維持するために、前記第１最適到達時間ＴＭＩＮ周囲の到達時間の範囲Ｒ２にわたって前記到達時間Ｔを変える前記コントローラによる、第１検出器ゲート信号タイミングディザーを実行することと、
を備える、ＱＫＤシステムにおける鍵交換方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載のＱＫＤシステムにおける鍵交換方法であって、前記検出器ゲート信号タイミングディザーを行なうことで、結果として、ＢＥＲ’ＭＩＮの前記ＢＥＲと関連する新しい最適到達時間Ｔ’ＭＩＮをもたらす、ＱＫＤシステムにおける鍵交換方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載のＱＫＤシステムにおける鍵交換方法であって、
前記第１検出器ゲート信号タイミングディザーを行なうことを終了することと、
第２検出器ゲート信号タイミング走査を行なうことと、
前記第２検出器ゲート信号タイミング走査を終了することと、
第２検出器ゲート信号タイミングディザーを行なうことと、
をさらに備える、ＱＫＤシステムにおける鍵交換方法。
【請求項１３】
請求項９に記載のＱＫＤシステムにおける鍵交換方法であって、
最適ＢＥＲに対応する最適幅ＷＭＩＮを決定するために、第１幅範囲ＲＷ１にわたって前記検出器ゲート信号の幅Ｗを変更することにより検出器ゲート信号幅走査を実行すること、
をさらに備える、ＱＫＤシステムにおける鍵交換方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載のＱＫＤシステムにおける鍵交換方法であって、
前記検出器ゲート信号幅を、最適ＢＥＲに対応する最適幅ＷＭＩＮにあるいは最適ＷＭＩＮの近くに維持するために、第２範囲ＲＷ２（ＲＷ２＜ＲＷ１）にわたって前記幅Ｗを変更することによって検出器ゲート信号幅ディザリングを実行すること、
をさらに備える、ＱＫＤシステムにおける鍵交換方法。
【請求項１５】
量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの動作をコントロール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そこで具現化される命令を備えるコンピュータ読み取り可能な媒体であって、前記ＱＫＤシステムを自動較正する以下の方法を実行する、
コード化ステーションのうちの１つは、到達時間Ｔの検出器ゲート信号によってゲート制御される単一光子検出器（ＳＰＤ）ユニットを有し、前記ＱＫＤシステムにおいて操作可能に連結された前記コード化ステーション間で光子信号を送信することによってビット誤り率（ＢＥＲ）を確立、
ＢＥＲＭＩＮの第１最小ＢＥＲに対応する第１最適到達時間ＴＭＩＮを確立するために、到達時間範囲Ｒ１にわたって前記到達時間Ｔを変更することにより、第一検出器ゲート信号タイミング走査を実行、
前記第１最適到達時間ＴＭＩＮが確立されたとき、前記第１検出器ゲート信号タイミング走査を終了、
ａ）ＢＥＲＭＩＮの前記第１最小ＢＥＲの維持するために、あるいはｂ）異なる最小ビット誤り率ＢＥＲ’ＭＩＮを確立するために、前記第１最適到達時間ＴＭＩＮ周囲の到達時間の範囲Ｒ１Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ１）にわたって前記到達時間Ｔを変えることよって第１検出器ゲート信号タイミングディザーを実行。
【請求項１６】
操作可能に連結されたコード化ステーションを備える量子鍵配送（ＱＫＤ）システム自動較正方法であって、前記コード化ステーションのうちの１つは、単一光子検出器（ＳＰＤ）ユニットを有しており、前記ＳＰＤユニットは、検出器ゲート信号を前記ＳＰＤユニットに供給するように適応されたコントローラに操作可能に連結され、当該方法は、
ビット誤り率を確立するために、前記ＱＫＤシステムにおけるコード化ステーション間で光子信号を交換することと、
ＢＥＲＭＩＮの最適ビット誤り率に対応する最適到達時間ＴＭＩＮを決定するために、前記検出器ゲート信号の到達時間Ｔを変更することにより、検出器ゲート信号タイミング走査を実行することと、
ａ）ＢＥＲＭＩＮの前記第１最適ビット誤り率あるいはＢＥＲＭＩＮの前記第１最適ビット誤り率の近くに前記ビット誤り率を維持するために、または、ｂ）ＢＥＲ’ＭＩＮの第２最適ビット誤り率を確立するために、ＴＭＩＮ周囲で前記到達時間Ｔをディザリングすることと、
を備える。
【請求項１７】
請求項１６に記載のＱＫＤシステム自動較正方法であって、前記検出器ゲート信号は、幅Ｗを有しており、最小ビット誤り率を確立するために、幅範囲ＲＷ１にわたって前記幅Ｗを変更することにより、検出器ゲート信号幅走査を実行すること、をさらに備える、ＱＫＤシステム自動較正方法。
【請求項１８】
操作可能に連結されたコード化ステーションを備える量子鍵配送（ＱＫＤ）システム自動較正方法であって、
前記コード化ステーションのうちの１つは、操作可能にコントローラに連結された単一光子検出器（ＳＰＤ）ユニットを含み、前記コントローラは、検出器ゲート信号を介して前記ＳＰＤユニットの動作をゲート制御するように適応されており、
当該方法は、
前記コード化ステーション間で光子信号を交換するとき、最適ビット誤り率に対応する前記検出器ゲート信号の最適到達時間を確立するために、検出器ゲート信号タイミング走査を実行することと、
前記検出器ゲート信号タイミング走査を終了することと、
ビット誤り率を前記最適ビット誤り率に、あるいは前記最適ビット誤り率の近くに維持するために、前記最適到達時間値の周辺で前記検出器ゲート信号の到達時間を変更することにより、検出器ゲート信号タイミングディザーを実行することと、
を備える。
【請求項１９】
請求項１８に記載のＱＫＤシステム自動較正方法であって、前記最適ビット誤り率は、最小ビット誤り率である方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載のＱＫＤシステム自動較正方法であって、前記検出器ゲート信号は幅Ｗを有しており、前記ビット誤り率を前記最適ビット誤り率にあるいは前記最適ビット誤り率の近くに維持するために、検出器ゲート信号幅を調整すること、をさらに備える、ＱＫＤシステム自動較正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号法の分野に関し、量子暗号法における産業ユーティリィティを有する。特に、最適なシステム性能を維持するよう量子鍵配送（ＱＫＤ）システムを自動較正する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ユーティリィティを有する。
【背景技術】
【０００２】
量子鍵配送（ＱＫＤ）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光子）光学信号（“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”）との間で鍵を確立すること、を含んでいる。鍵配送のセキュリティは、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、エラーを、伝送される信号に与えることになり、したがって、その存在を明かすことになる。
量子暗号法の概略的な原理は、ＢｅｎｎｅｔｔおよびＢｒａｓｓａｒｄによって、彼らの論文、“量子暗号法：公開鍵配送およびコイン・トス（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：  Ｐｕｂｌｉｃ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｉｎ  ｔｏｓｓｉｎｇ）”（コンピュータ、システムおよび信号処理に関する国際会議、バンガロール・インド１９８４年１７５〜１７９ページ（ＩＥＥＥ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９８４）（非特許文献１）、およびＢｅｎｎｅｔｔらによる論文“実験的量子暗号法”Ｊ．  Ｃｒｙｐｔｏｌｏｇｙ（１９９２年）５：３〜２８（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に付与された米国特許５，３０７，４１０号（’４１０特許）（特許文献１）において、説明されている。
【０００３】
Ｂｅｎｎｅｔｔによる上述の刊行物および‘４１０特許は、いわゆる“ワンウェイ（ｏｎｅ−ｗａｙ）”ＱＫＤシステムを説明している。“ワンウェイ”ＱＫＤシステムでは、アリスが、光子信号の偏光あるいは位相をランダムにコード化し、ボブが、光子信号の偏光あるいは位相をランダムに測定する。‘４１０特許において説明されたワンウェイシステムは、２つの光ファイバーマッハ‐ツェンダー（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計に基づいている。ボブとアリスとのそれぞれが、干渉計の位相を制御することができるように、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る。アリスからボブのもとへ送信された信号（パルス）は、時分割多重化されており、異なる経路を通る。そのため、干渉計を、送信の際に、積極的に安定させて、熱変動（ドリフト）を補償する必要がある。
【０００４】
Ｇｉｓｉｎに付与された米国の特許６，４３８，２３４号（‘２３４特許）（特許文献２）は、自動補正干渉計に基づいた、いわゆる“ツーウェイ（ｔｗｏ−ｗａｙ）”のＱＫＤシステムを開示している。このような干渉計は、偏光と熱変動に対して、自動補正されることが知られている。したがって、‘２３４特許のツーウェイのＱＫＤシステムは、ワンウェイシステムよりも、環境の影響を受けにくい。
商業ベースのＱＫＤシステムを動作する場合、最適なシステム性能のためには、多数の変数が、時間的に調子を合わせて整列され、整列された状態が維持される必要がある。光学パルスの検出を予定パルス到達時間と同期させるために、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）は、コントローラからのゲート信号でゲート制御される。
【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
【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】
【０００５】
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（ドリフト）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、最適未満なシステム性能−を招く。
実験室レベルおよび試作品のＱＫＤシステムは、人為的な条件の下で、かつ、よく制御されていて、システム変動に対して調整することができるが、現場における商業ベースのＱＫＤシステムの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作るには、大変な努力を要する。そして、実験室レベルおよび試作品のＱＫＤシステムとは異なり、商業ベースのＱＫＤシステムのエンドユーザーは、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】
【０００６】
発明の第１の特徴は、２つの操作可能に連結されるコード化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。コード化ステーションのうちの１つは、コントローラに操作可能に連結される単一光子検出器（ＳＰＤ）ユニットを有している。この方法は、検出器ゲート信号（Ｓ３）をコントローラからＳＰＤユニットに送信し、第１タイミング範囲Ｒ１にわたって検出器ゲート信号の到達時間Ｔを変更することにより、検出器ゲート信号タイミング走査を行なうこと、を備える。また、この方法は、ＱＫＤシステムのコード化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）に対応する検出器ゲート信号の最適タイミングＴＭＩＮを決定すること、を備える。さらに、この方法は、ＢＥＲを最小値ＢＥＲＭＩＮなどの最適値に維持するために、ＴＭＩＮ周辺の第２タイミング範囲Ｒ２にわたって到達時間Ｔを変更することにより、検出器ケート信号タイミングディザリングを実行すること、を備える。
【０００７】
発明の第２の特徴は、検出器ゲート信号幅走査を行なって最適検出器ゲート信号幅ＷＭＩＮを得ること、と、検出器ゲート信号幅ディザリングを行なって検出器ゲート信号を最適信号幅にあるいは最適信号幅の近くに維持すること、と、を備える。
【０００８】
発明の第３の特徴は、２つのコード化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。また、ＳＰＤユニットが、コード化ステーションのうちの１つにおけるコントローラに操作可能に連結されている。この方法は、ビット誤り率（ＢＥＲ）を確立するために、ＱＫＤシステムにおけるコード化ステーション間で光子信号を交換することを備える。この方法は、第１最適ＢＥＲに対応する第１最適到達時間ＴＭＩＮを確立するために、検出器ゲート信号到達時間Ｔの範囲にわたってコントローラからＳＰＤユニットへの検出器ゲート信号を送信することにより第一検出器ゲート信号タイミング走査を実行することを備える。この方法は、また、第１ＴＭＩＮが確立されたとき第一検出器ゲート信号タイミング走査を終了すること、と、そして、第一検出器ゲート信号タイミングディザーを行なうこと、と、を備える。第１最適ＢＥＲ（たとえば、ＢＥＲＭＩＮ）あるいは範囲Ｒ２にわたる異なる最適ＢＥＲ（たとえば、ＢＥＲ’ＭＩＮ）のいずれかを維持するために、第１ＴＭＩＮ周囲の到達時間の範囲Ｒ２にわたって（最適）検出器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、第一検出器ゲート信号タイミングディザーがなされる。この方法は、最適ＢＥＲに対応する最適検出器ゲート信号幅ＷＭＩＮを確立し維持するために、オプションとして（ｏｐｔｉｏｎａｌｙ）、検出器ゲート信号幅走査および信号幅ディザリングを実行すること、を備える。
発明の第３の特徴は、直上に述べた発明の第２の特徴の方法の延長であり、検出器ゲート信号タイミングディザーを行なうことで、新しい最適到達時間Ｔ’ＭＩＮをもたらす。発明の第３の特徴の方法は、検出器ゲート信号ディザリングの実行を終了し第２検出器ゲート信号タイミング走査を行なうこと、と、この第２走査を終了すること、と、そして、ビット誤り率を最適ＢＥＲにあるいは最適ＢＥＲの近くに自動的に再確立するために、第２検出器ゲート信号タイミングディザーを実行すること、と、を備え、これにより、最適（あるいは最適に近い）システム性能を確立する。
発明のこれらの特徴および他の特徴を、以下に詳述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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システム動作の際に検出器ゲート信号の最適タイミングを維持するために、検出器ゲート信号走査を行って最適検出器ゲート信号位置（タイミング）を決定すること、そして、検出器ゲート信号タイミングディザリングを行なうこと、を備える。これにより、概してＱＫＤシステム全体の最適動作に対応する、ＱＫＤシステムにおける最適光子信号検出（つまり最多の光子信号カウント）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システムを維持する。このような自動較正は、商業ベースで実現可能なＱＫＤシステムに対して、重要である。
【００１０】
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、位相コード化を用いたツーウェイＱＫＤシステムと、２つの検出器を有する単一光子検出器ユニットと、の例示的な実施の形態に関連して、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、検出器ゲート信号は、ＳＰＤ検出器ユニットを検出器ゲート信号の間（つまり幅Ｗの間）アクティブにする。アクティブ化は、信号の前端から始まり、信号の後端で終了する。パルスレーザの場合には、レーザゲート信号が、レーザからの光学パルスをレーザゲート信号の幅の間にあるポイントで（たとえば、ゲート信号の立ち上がりエッジで）生成する。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信号幅を有することになる。
【００１１】
また、以下に説明する通り、レーザは、ＱＫＤシステムの２つのコード化ステーション間で鍵を交換し、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、光学パルスは減衰し、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。
さらに、概して、ここに用いられる語“最小ＢＥＲ”は、例えば、標準ＢＥＲ測定およびＢＥＲ補正手段を用いるＱＫＤプロセスにおけるビット誤り率の測定に基づく性能指数（ｆｉｇｕｒｅ  ｏｆ  ｍｅｒｉｔ）をいう。
【００１２】
＜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。ＱＫＤシステム２００は、２つの操作可能に連結される鍵コード化（“符号化”）ステーションを備える。これらの鍵コード化ステーションは、それぞれ、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、であり、以下、単に、“ボブ”および“アリス”という。
＜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、レーザーダイオードで、バック・ファセット・モニター（ＢＦＭ）２０３を有する。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２０８Ｃと、を有する時分割多重化／多重分離光学系２０６に、操作可能に連結される。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から出力する。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。
【００１３】
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で操作可能に連結される。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。ＳＰＤユニット２１６は、また、“検出器”ともいう。位相変調器（ＰＭ）２２０は、光学系入出力端部２０８Ｂで操作可能に連結される（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。
ボブは、また、後述する通り、エレメント（レーザ２０２、ＢＦＭ２０３、ＳＰＤユニット２１６、ＰＭ２２０）の動作をコントロールするために、レーザ２０２と、ＢＦＭ２０３と、ＳＰＤユニット２１６と、ＰＭ２２０と、に、機能的に（例えば電気的に）操作可能に連結されるコントローラ２４８を有する。例示的な実施の形態では、コントローラ２４８は、コンピュータ読み取り可能な媒体２５０に記憶された命令（例えば“ソフトウェア”）を実行可能であるプログラム可能なコンピュータであるか、あるいは、プログラム可能なコンピュータを有する。例示的な実施の形態では、コンピュータ読み取り可能な媒体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。
【００１４】
＜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に光学的に操作可能に連結される。ファラデーミラー２７０は、ＰＭ２６６の下流に配置され、ＰＭＡ２６６に光学的に操作可能に連結される。
アリスは、また、ＰＭ２６６と、ＶＯＡ２６４と、に、機能的に（例えば電気的に）操作可能に連結されるコントローラ２８８を有する。例示的な実施の形態では、コントローラ２８８は、コンピュータ読み取り可能な媒体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ム可能なコンピュータを有する。例示的な実施の形態では、コンピュータ読み取り可能な媒体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。
【００１５】
コントローラ２４８，２８８は、アリスとボブの動作を同期させるために、同期リンク２９０を介して（例えば電気的にあるいは光学的に）リンクされる。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ＳＯ，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。
＜ＱＫＤシステムの動作＞
引き続き図１を参照して、ＱＫＤシステム２００の動作において、光学パルス２０４を生成するために、レーザゲート信号ＳＯが、コントローラ２４８によってレーザ２０２に送信される。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、強いパルスであってボブに返る前に、後にアリスで減衰されるパルスとすることもできる。直交偏光光学パルス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。そして、パルスは、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。
【００１６】
パルスＰ１，Ｐ２のＰＭ２６６の通過の一方の際に、位相変調されたパルスＰ１’を形成するために、ＰＭが、パルスの一方−たとえば、パルスＰ１−を変調する。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よく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、光子信号（つまり光子の平均数１以下の光学パルス）がボブとアリスの間で交換されることを保証するために、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、変調パルスＰ２’を形成するために、ＰＭ２２０は、パルスのうちの１つ−たとえば、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。
【００１７】
変調されたパルス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、検出器出力端部２０８Ｃから出てＳＰＤユニット２１６へと導かれる結合されたパルスＰ３が形成される。ＳＰＤユニット２１６は、結合パルスＰ３を受信する。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であるよう、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、干渉が強め合うかまたは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。
【００１８】
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−たとえば、アリスとボブが、公に測定の基準を比較して、同じ測定基準に対応する測定（ビット）を単に保存することによって−形成される。これにより、ふるいにかけられた鍵（ｔｈｅ  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）”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の回数が十分に低減されるかあるいは無くなるまで、繰り返され、これにより、安全な量子鍵を確立する。また、このプロセスは、ＢＥＲを決定することを可能させるとともに、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。
【００１９】
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、あるいは測定しようとすることによって、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、ビット誤りは、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生じる。例えば、レーザ２０２のアクティブ化のタイミングあるいは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、適切な時間に送信されないか、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の最適なシステム動作を維持する本発明の方法のフロー図３０２である。この方法は、後述するように、検出器ゲート走査および検出器ゲートディザーの両方を行なうことを含んでいる。
【００２０】
３１２において、鍵交換プロセスは、時分割多重化光学パルスＰ１，Ｐ２を、ボブからアリスへ送信することができるように、光学パルス２０４を出射するよう光源２０２に命令するコントローラ２４８によって開始される。このプロセスは、上述の通り、コントローラ２８８がＰＭ２６６がパルスのうちの一方を位相変調することを命令すること、と、パルスをボブへと戻るよう進行させること、と、他方のパルスを変調すること、と、変調パルスを結合すること、と、結合パルスＰ３をＳＰＤユニット２１６において検出すること、と、を有する。鍵交換プロセスは、ＢＥＲを確立するのに十分な時間で実行される。
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との仮定は、一般的には、よい仮定であることは、注目に値する。したがって、例示的な実施の形態では、検出器ゲート信号Ｓ３は、ＳＰＤ２１６Ａ，２１６Ｂの両方をゲート制御するよう機能する。
【００２１】
３１４において、検出器ゲート走査が行なわれる。図３は、図１に示すようなＱＫＤシステムの検出器ゲート走査の例示的なグラフであり、Ｙ軸がＢＥＲで、Ｘ軸が、検出器ゲート信号Ｓ３のタイミング（到達時間）Ｔである。検出器ゲート走査を実行することは、ＳＰＤユニット２１６におけるカウントから得られる最適ビット誤り率ＢＥＲＭＩＮを与える最適ゲート信号タイミング（到達時間）ＴＭＩＮを確立するために、タイミング値の選択された範囲Ｒ１にわたって検出器ゲート信号Ｓ３のタイミング（例えば到達時間Ｔ）を変更することを含んでいる。
図４は、検出器ゲート信号のタイミング図である。検出器ゲート走査の例示的な実施の形態では、３１５において、検出器ゲート信号幅Ｗも、また、最適（例えば最小）ビット誤り率ＢＥＲＭＩＮを与える最適検出器ゲート信号幅ＷＭＩＮを確立するために、オプションとして、選択された幅範囲ＲＷ１にわたって変更（“走査”）される。
【００２２】
ＴＭＩＮおよび最適ビット誤り率ＢＥＲＭＩＮが決定されると、次に、プロセスは３１６に移行する。そこでは、検出器ゲート信号タイミング走査（あるいは幅走査）が終了する（つまり、ＯＦＦにされる）。
３１８において、検出器ゲート信号タイミングディザリングが行なわれる。これは、最大到達時間ＴＭＩＮの周辺で選択タイミング範囲Ｒ２内で少しずつ、検出器ゲート信号Ｓ３のタイミング（例えば到達時間Ｔ）を繰り返し変化させること、を含んでいる。必要に応じて、信号到達時間Ｔは、ビット誤り率ＢＥＲが最小値ＢＥＲＭＩＮに（あるいは、新しい最小ビット誤り率ＢＥＲ’ＭＩＮへと）維持されるように、その元の最適値ＴＭＩＮから新しい最適値Ｔ’ＭＩＮ  へとシフトされる。なお、選択範囲Ｒ２は、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むよう選択されている。
【００２３】
検出器ゲート信号タイミングは、光子カウントの最小（あるいは最大に近い）数に収束するまで、ディザーされる。したがって、単一光子検出器２１６Ａ，２１６Ｂの通常動作に際し、検出器ゲート信号ディザリングプロセスは、単一光子感度を高く保持する。例示的な実施の形態では、検出器ゲート信号ディザリングは、周期的に、たとえば秒毎に、行なわれる。このレートは、受信された単一光子カウントの数に比例する。
例示的な実施の形態では、３１９において、オプションの検出器ゲート信号幅ディザリングが行なわれる。検出器ゲート信号幅ディザリングでは、幅Ｗが、最適信号幅ＷＭＩＮのまわりの小さな範囲ＲＷ２（ＲＷ２＜ＲＷ１）にわたって、ディザーされる（図４参照）。
３２０に、他の検出器ゲート信号タイミング走査の開始による検出器ゲート信号Ｓ３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、この方法は３２２に移行する。３２２において、検出器ゲート信号タイミングあるいは幅ディザリングがＯＦＦにされ、そして、新しい最適到達時間ＴＭＩＮおよび／または最適信号幅ＷＭＩＮを見つけるために、検出器ゲート信号タイミングおよび／または検出器ゲート信号幅の較正の更新を実行するため、プロセスは、３１４の検出器ゲート信号タイミング走査あるいは３１５の検出器ゲート信号幅走査に戻る。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、検出器自動較正が行なわれる。ａ）統計的限界外への光子カウントレベルにおける変化、ｂ）０．５℃などの所定量より大きな周囲温度変化が発生、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）とは異なり、スイッチングネットワークエレメントを通るような、光学通路の環境設定が変化した場合、ｄ）既知の一日の温度サイクルに基づいた一日毎のスケジュールで、ｅ）必要の有無にかかわらず、例えば、毎時間といった一定の時間毎に。
検出器ゲート走査を行なう前には検出器ゲートディザーをＯＦＦにする必要が生じる。これは、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、検出器ゲート走査は、スムーズな（つまり、インクリメンタルな）方法で、単一光子検出器ゲート信号のタイミングあるいは幅をインクリメントしようとする一方で、検出器ゲートディザーは、変数を、光子カウントの最大値でとどめるために、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（ｓｐｕｒｉｏｕｓ  ｒｅｓｕｌｔｓ）を生じさせる。したがって、３１４の検出器ゲート信号タイミング走査に際しての検出器ゲート信号パラメーターの走査および更新に続いて、検出器ゲート信号タイミングディザーは、自動的に（あるいは手動で）ＯＮに戻される。同じことが、検出器ゲート信号幅走査およびディザリングにもなされる。
【００２５】
自動較正を行う要請や必要がない場合、次いで、３２４において、この方法は、３１８の検出器ゲート信号タイミングディザーモードあるいは３１９の検出器ゲート信号幅ディザーモードのいずれかに戻る（あるいはそこにとどまる）。最小ビット誤り率ＢＥＲＭＩＮを維持するかあるいはビット誤り率を新しい最小値ＢＥＲ’ＭＩＮ，ＢＥＲ”ＭＩＮなどに維持するために、周期的な検出器ゲート信号タイミングディザープロセスは、一般に、ＴＭＩＮの値のわずかな変化をもたらす。明瞭化と簡単化のために、本発明では、“最小ビット誤り率”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、ＴＭＩＮ，Ｔ’ＭＩＮ，Ｔ”ＭＩＮなどを意味するものとできる。同じことが、検出器ゲート信号幅ディザープロセスおよびＷＭＩＮにも当てはまる。
【００２６】
例示的な実施の形態では、本発明の上述の方法は、コンピュータ読み取り可能な媒体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て、ＱＫＤシステム２００においてこの方法を実現する。
例示的な実施の形態では、本発明の１つ以上の方法は、コンピュータ読み取り可能な媒体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、検出器ゲート信号のタイミングの走査およびディザリングと、そしてオプションとして検出器ゲート信号幅の走査およびディザリングと、を備えている検出器自動較正方法の例示的な実施形態を図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検出器ゲート信号タイミング走査を表わす例示的なプロットであり、Ｙ軸がＢＥＲで、Ｘ軸が、検出器ゲート信号Ｓ３のタイミング（到達時間）Ｔである。
【図４】図４は、オプションとしての最適信号幅ＷＭＩＮを確立するための検出器ゲート信号幅Ｗの走査およびディザリングと関連するタイミング範囲を例示する検出器ゲート信号のタイミング図である。
【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２】
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【図３】
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【図４】
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