(57)【要約】  ＱＫＤシステム（１０）のセキュリティを増強する方法を開示する。この方法は、制御信号（ＳＡ）を含むゲーティング間隔（ＧＩ）、およびジャバ信号（ＳＪ）を含むゲーティング間隔外の両方で、ＱＫＤステーション（アリス）における位相変調器（ＭＡ）をランダムに変調すること、と、一方で、ゲーティング間隔中に行われたそれらの変調を記録すること、と、を備える。そのような連続的な変調は、盗聴者が、変調がキュービットの変調に直接対応すると仮定することを阻止する。したがって、検出された変調器の変調状態からなにかの情報を抽出しようとする前に、盗聴者は、どの変調が実際のキュービット変調に対応するのかを割り出す、付加的な負担を強いられることとなる。
2008518509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調器を有するＱＫＤシステムの動作方法であって、
それぞれのゲーティング間隔がキュービットの予定到達に対応しているゲーティング間隔中に第１ランダム変調を前記変調器に提供する工程と、
前記ゲーティング間隔外には、第２ランダム変調を前記変調器に提供する工程と、
を備えている動作方法。
【請求項２】
前記第１ランダム変調は、第１乱数発生器からの第１信号によって発生され、前記第２ランダム変調は、第２乱数発生器からの第２信号によって発生される、
請求項１に記載の動作方法。
【請求項３】
一つの乱数発生器から前記第１および第２ランダム変調を提供する工程を含んでいる、
請求項１に記載の動作方法。
【請求項４】
前記変調器が常に変調されるように前記第１および第２変調を提供する工程を含んでいる、
請求項１に記載の動作方法。
【請求項５】
変調器を有するＱＫＤステーションのセキュリティ増強方法であって、
キュービットのそれぞれの予定到達時間に関連するゲーティング間隔の間、前記変調器をランダムに変調する工程と、
前記ゲーティング間隔外に、前記変調器をランダムに変調する工程と、
を備えているセキュリティ増強方法。
【請求項６】
前記ＱＫＤシステムの２つの前記ＱＫＤステーション間の安全なキーを確立するために、前記ゲーティング間隔中に行われる変調を記録する工程を含んでいる、
請求項５に記載のセキュリティ増強方法。
【請求項７】
ＱＫＤシステムにおける変調器の動作方法であって、
キュービットが前記変調器を通る予定であるかにかかわらず、常に、前記変調器を選択変調でランダムに変調する工程と
前記キュービットを実際に変調する変調を記録する工程と、
を備えている動作方法。
【請求項８】
記録される変調を特定するために、前記キュービットの前記変調器への予定到達時間に対応する同期信号を用いる工程を含んでいる、
請求項７に記載の動作方法。
【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上の利用性を有している。特に、盗聴されることをより困難にし、これにより、システムのセキュリティを増強する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおける変調器の動作方法に関し、その方法に関連する産業上の利用性を有している。
【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“キュービット”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、キュービット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、イブの存在を明らにする。
【０００３】
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）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、およびＣＨ・Ｂｅｎｎｅｔｔ著論文（非特許文献２）において、説明されている。
ＱＫＤを行なう概略的なプロセスは、Ｂｏｕｗｍｅｅｓｔｅｒ共著書（非特許文献３）のなかで、説明されている。ＱＫＤプロセスの際に、アリスは、乱数発生器（ＲＮＧ）を用いて、基準（“基準ビット”）に対する任意のビットおよびキー（“キービット”）に対する任意のビットを生成し、これにより、キュービット（例えば、偏光すなわち位相エンコードを用いて）を作成し、このキュービットをボブへ送信する。
【０００４】
Ｂｅｎｎｅｔｔによる上述の非特許文献１および非特許文献２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、システムの一端で、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、システムの他端で、光子の偏光すなわち位相をランダムに測定する。Ｂｅｎｎｅｔｔの非特許文献２の誌上で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。干渉計は、温度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する必要がある。
【０００５】
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。自動補償干渉計は、ドイツのＪｏａｃｈｉｍ  Ｍｅｉｅｒ博士によって発明され、１９９５年に（ドイツ語で）刊行されたものである（非特許文献４）。Ｍｅｉｅｒの干渉計は偏光および温度変化を自動的に補償されるので、それに基づく双方型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。
【０００６】
’２３４特許の双方型ＱＫＤシステムにおいて、アリスは、位相変調器と、ファラデーミラーとを備えている。位相変調器には、１セットの変調からランダムに選ばれた変調が出力される。変調は、ボブからの２つの光学的パルスの一方の到達と一致するように時間設定される。その後、パルスは、パルスの一方が変調された状態で、ボブへ戻るよう送信される。残りのパルスは、ボブで、同様に、変調される。パルスは、干渉され、その結果として干渉されたパルスが、検出される。このプロセスが繰り返され、そして、通常のＱＫＤプロトコルおよびプロシージャが続けられて、これにより、アリスとボブとの間の安全なキーを確立する。
【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】“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】“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】
【０００７】
潜在的な盗聴者（イブ）が、アリスの位相変調器のアクティビティを識別することができないことが必要とされる。もし、盗聴者がアリスの変調器の状態を知ることができるなら、イブは、変調されたパルス（キュービット）の値を推定することができるだろう。
アリスの変調器のアクティビティは、キュービットが能動的に変調されているときのみ、ＱＫＤシステムにとって関心がある。場合によっては、アリスの近くにキュービットがないとき、変調するものは何もないので、変調器の値は関心がない。従って、キュービットが存在しないとき、今日のＱＫＤシステムは、変調器を停止させておく。
【０００８】
しかしながら、このことは、イブの盗聴作業を大幅に容易にする。なぜなら、イブが変調器の状態における変化に集中を絞り込むことができるからである。アリスの変調器が、キュービットを変調しているときにのみアクティブである場合に、もし、イブが電磁干渉（ＥＭＩ）測定能力あるいはプローブビーム能力を持っていれば、イブが、どのようにキュービットが変調されたかを割り出すために調査する必要がある情報量は比較的小さい量だけになってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一つの態様は、盗聴者がシステムの変調器の状態に関する情報を得ることをより難しくするように、変調器を有するＱＫＤシステムを動作する方法である。その方法は、第１ランダム変調を、キュービットの予定到達時間に関連するゲーティング間隔に応じて変調器に出力すること、を備えている。また、その方法は、ゲーティング間隔外には、第２ランダム変調を変調器に出力すること、を備えている。結果、基本的に、常時変調が変調器（例えば、アリスの変調器）に加えられることになり、これにより、変調器の状態に関する情報を得ようとする盗聴者は、どの変調器の状態がキュービットのコード化に実際に関連しているか判断する必要がある。
【００１０】
キュービットの予定到達時間の間の（つまり、“ゲーティング間隔”の間の）、変調器の作動は、変調器に制御信号を出力することによって行われている。ゲーティング間隔外の変調器の作動は、変調器にジャバ信号を出力することによって行われている。制御信号およびジャバ信号は、どちらも、乱数発生器（ＲＮＧ）からの乱数が出力される電圧制御器（変調器ドライバー）によって生成される。乱数は、１つのＲＮＧあるいは２つの異なるＲＮＧから得ることができる。このように出力される乱数は、ＱＫＤシステムのプロトコルに関連した１セットの利用可能な変調器位相（例えばΦA＝＋３π／４、−３π／４、π／４および−π／４）から変調器位相を選ぶように用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、光ファイバＦＬによって接続された２つのＱＫＤステーション（アリスとボブ）を備える双方向型ＱＫＤシステム１０の概略図である。ボブは、２つのコヒーレントな光学パルスＰ１，Ｐ２を生成するよう適合された光学系２０を備える。光学系２０は、また、位相変調器ＭＢと、レーザーソースＬＳと、可変減衰器２２Ｂとを備える。位相変調器ＭＢは、乱数発生器ユニットＲＮＧ−Ｂに連結された電圧制御器ＶＢに連結されている。次いで、乱数発生器ユニットＲＮＧ−Ｂは、制御器３０Ｂに連結されている。制御器３０Ｂは、また、光学系２０に連結されている。ボブは、また、光学系２０および制御器３０Ｂに動作可能に連結された検出器ユニット４０を備える。検出器ユニット４０は、２つの単一光子検出器（ＳＰＤ）４１，４２を備える。
【００１２】
アリスは、一端で光ファイバＦＬに、そして、反対側の他端でファラデーミラーＦＭに光学的に連結されている位相変調器ＭＡを備える。また、任意に、位相変調器ＭＡの上流に可変減衰器２２Ａを備える。アリスは、また、位相変調器ＭＡに連結された電圧制御器ＶＡと、電圧制御器ＶＡに連結された乱数発生器ＲＮＧ−Ａ１とを備える。実施例において、アリスは、また、電圧制御器ＶＡに連結された第２乱数発生器ＲＮＧ−Ａ２を備える。アリスは、さらに、乱数発生器ＲＮＧ−Ａ１，ＲＮＧ−Ａ２に連結された制御器３０Ａを備える。
【００１３】
ボブの制御器３０Ｂは、アリスの制御器３０Ｂに同期チャネルＳＣによって（光学的あるいは電子的に）連結され、これにより、アリスとボブとの動作を同期信号ＳＳを介して同期する。詳細には、位相変調器ＭＡ，ＭＢの動作は、同期信号ＳＳを交換する制御器３０Ａ，３０Ｂによって連係される。同期信号ＳＳは、変調されるキュービット（パルス）の予定到達時間に対応している。
〈動作の方法〉
ＱＫＤシステム１０の動作の実施例において、ボブの制御器３０Ｂは、光学系２０を作動信号Ｓ０を介して作動させ、これにより、直交偏光を有するコヒーレントな光学パルスＰ１，Ｐ２を生成する。パルスは、作動していないボブの位相変調器ＭＢを通るが、任意に、パルスを減衰する可変減衰器２２を通ることもできる。そして、パルスは、光ファイバＦＬを通って、アリスへと進む。
【００１４】
その後、パルスＰ１，Ｐ２は、作動していないアリスの位相変調器ＭＡを通る。パルスは、パルスの偏光を９０°回転させるファラデーミラーＦＭに反射する。これらパルスが位相変調器ＭＡを通って戻ってくるとき、アリスは、第１パルスＰ１を未変調で通過させるが、第２パルスＰ２の位相を変調する（つまり、位相シフトΦAを与える）。
アリスにおけるパルスＰ２の変調は、制御器３０Ａによって実行される。制御器３０Ａは、よくタイミングが合わされた信号Ｓ１を乱数発生器ＲＮＧ−Ａ１へ出力する。乱数発生器ＲＮＧ−Ａ１は、乱数を表す信号Ｓ２を電圧制御器ＶＡへ出力する。それに応じて、電圧制御器ＶＡは、ランダムに選択された電圧制御信号ＳＡ（例えば、Ｖ［＋３π／４］、［Ｖ−３π／４］、Ｖ［＋π／４］、あるいはＶ［−π／４］）を、位相変調器ＭＡに送信し、これにより、位相変調を、対応するランダムに選択された位相シフトΦA＝＋３π／４、−３π／４、π／４あるいは−π／４にセットする。
【００１５】
そして、２つのパルスＰ１，Ｐ２は、可変減衰器２２Ａを通り、これにより、これらのパルスは、単一光子レベルになる（つまり、統計的に、パルス当たり１つ以下の光子を有する）。パルスは、ボブへと戻る。このとき、パルスＰ２は、変化することなく、位相変調器ＭＢを通る。しかし、ボブは、ランダムに選択された位相シフトΦBをパルスＰ１に与える。その変調は、制御器３０Ｂによって実行される。制御器３０Ｂは、よくタイミングが合わされた信号Ｓ３をＲＮＧ−Ｂへ出力する。ＲＮＧ―Ｂは、乱数を表す信号Ｓ４を電圧制御器ＶＢへ出力する。それに応じて、電圧制御器ＶＢは、ランダムに選択された電圧制御信号ＳＢ（例えば、Ｖ［＋π／４］あるいはＶ［−π／４］）を位相変調器ＭＢに送信し、これにより、位相変調を、＋π／４あるいは−π／４の対応する値にセットする。
【００１６】
さらに、パルスＰ１，Ｐ２は、光学系２０に入り、そこで、干渉するよう再結合される。ＳＰＤ４１，４２は、強めあう干渉（ΦA−ΦB＝０）がＳＰＤ４１によって検出され、弱め合う干渉（ΦA−ΦB＝π）がＳＰＤ４２によって検出されるように配置される。
ボブがアリスと同じ基準位相を与えるとき、ＳＰＤ４１におけるカウントは二値で０を示し、ＳＰＤ４２におけるカウントは二値で１を示す。しかしながら、ボブの基準位相がアリスとは異なるとき、相関性はなく、カウントは、ＳＰＤ４１あるいは４２のいずれでも同じ確率となる（つまり、干渉パルスは、５０：５０のチャンスでいずれのＳＰＤにも検出される）。検出ユニット４０においてその結果として検出された信号は、制御器３０Ｂに検出器信号Ｓ４０を通じて伝送される。そこで、検出された位相は、位相変調器ＭＢに与えられた変調状態とともに、記憶される。
〈常時変調〉
ＱＫＤシステム１０の動作の説明は、これまでのところ、アリスの変調器が、ファラデーミラーＦＭから反射される光学パルスＰ２の到達と一致するように時間設定される電圧信号ＳＡを受信しない限り作動しない、従来技術の説明と基本的に同じものである。しかしながら、従来技術方式の下では、位相変調器ＭＡの変調状態に関する情報を得ることができる盗聴者は、ただ測定をすることについて気にする必要があるだけであって、その測定が、キュービットの実際の変調（つまり、パルスＰ１あるいはＰ２の変調）に関するものかどうかまで気にする必要はなかった。
【００１７】
このように、本発明は、変調するキュービットがないときであっても位相変調器ＭＡを作動させることによって従来技術を改善している。この場合、キュービットが実際に変調されている短い期間を見つけるために、盗聴者イブは、さらにより多くのデータを厳密に調査する必要があることになる。
図２は、同期信号ＳＳによって示される、キュービットの予定到達に対する位相変調器ＭＡの変調を示すタイミング図である。実施例において、予定到達が同期信号ＳＳに関連しているキュービットの変調は、上述の通り実行される。一般的に、同期信号ＳＳのデューティサイクルは、とても低く、例えば、０．５％のオーダーである。このような低い同期デューティサイクルは、盗聴者が、キュービットデータを得るためにキュービット変調を“聞く”ことができるような時間は、とても短い期間であることを意味する。
【００１８】
このように、“ゲーティング間隔”ＧＩという予定到達時間周辺の短い期間の間、位相変調器ＭＡは、電圧制御器ＶＡからの制御信号ＳＡによって作動される。これは、同期信号ＳＳを囲んでいるゲーティング間隔ＧＩにわたって、０から１へ（つまり、オフからオンへ）と変化する制御信号ＳＡとして、図２に例示される。なお、実際上、制御信号ＳＡは、セットされる位相に対応する電圧を有する。
【００１９】
ゲーティング間隔ＧＩ外で、制御器３０Ａは、乱数発生器ＲＮＧ−Ａ２を作動信号Ｓ５を通じて作動させ、これにより、乱数を電圧制御器ＶＡへ信号Ｓ６を通じて送信する。次に、信号Ｓ６は、電圧制御器ＶＡに、ジャバ信号ＳＪを位相変調器ＭＡへと送信させる。なお、制御信号ＳＡと同様に、ジャバ信号ＳＪは、ランダムに選択された位相に対応する電圧を、実際上、有する。なお、ジャバ信号ＳＪは、制御信号ＳＪと同じ信号の幅を有し、これにより、これらの２つの信号タイプは盗聴者には識別できないことが好ましい。
【００２０】
図２において、値“０”，”１”は、実行可能な特定のモード（つまり、キュービット変調モードあるいはジャバ変調モード）に対応している。制御信号（つまり、キュービット変調信号）ＳＡおよびジャバ信号ＳＪも、また、例示のために示されている（ただし、スケール化されていない）。
制御信号ＳＡ変調およびジャバ信号ＳＪ変調の組み合わせは、キュービットの予定到達に関連した短いゲーティング間隔中にのみ変調器を（ランダムに）作動するのではなく、基本的に、位相変調器ＭＡに常時のランダム変調をもたらす。
【００２１】
ジャバ信号モードでは、変調を必要とするキュービットが存在しないであろうことを除いて、ジャバ信号ＳＪは、まさに制御信号ＳＡがキュービット変調モードの間に行うように、位相変調器ＭＡをランダムに作動させる。このように、キュービットのコード化に関連した位相変調器ＭＡの変調状態の識別に集中する盗聴者は、それぞれの変調がキュービットに対するものだと仮定することに、もはや利点がなくなる。これで、盗聴者は、どの変調イベントが実際にキュービット変調に対応するか、そして、どれが単にジャバ信号変調であったか、を評価する付加的な負担を強いられる。
【００２２】
実施例において、ジャバ変調モードに対応するゲーティング間隔を囲んでいるタイミングウィンドウは、ＦＰＧＡあるいは他の制御器３０Ａにおけるタイミング装置ＴＤなどによって決定される。詳細には、タイミング装置ＴＤは、キュービット変調が生じる可能性が起こりうる最悪のケースの期間を囲むジャバ信号ＳＪのタイミングウィンドウを確立する。したがって、上述の通り、タイミング装置ＴＤは、ジャバ変調が位相変調器ＭＡにＲＮＧ−Ａ２を通じていつ出力されるかを決定する。なお、他の実施の形態においては、アリスが、ただ１つの乱数発生器（例えば、ＲＮＧ−Ａ１）を用いて、制御変調およびジャバ変調を生成する。
【００２３】
制御器３０Ａは、ゲーティング間隔中に、どの位相変調が位相変調器ＭＡに適用されたかを記録し、これにより、安全なキーを、既知のＱＫＤプロトコルおよびプロシージャを用いるアリスとボブとの間で確立することができる。
本発明を、好ましい実施の形態に関連して説明したが、本発明は、そのようには限定されないことは、理解されよう。それどころか、本発明は、添付した特許請求の範囲によって特定される発明の精神および範囲に含まれる、あらゆる代替例、変形例、均等物に及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の動作方法を実行するために適用した双方型ＱＫＤシステムの概略図。
【図２】制御信号、ジャバ信号および同期信号のタイミング図であって、制御信号が、どのようにそれぞれの同期信号を囲むゲーティング間隔の間に位相変調器を作動させるか、および、どのようにジャバ信号が、ゲーティング間隔外の間に位相変調器を作動させるかを示した図。
【図１】
2008518509.tif 000003
【図２】
2008518509.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成19年7月18日(2007.7.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調器を有するＱＫＤシステムの動作方法であって、
それぞれのゲーティング間隔がキュービットの予定到達に対応しているゲーティング間隔中に、第１ランダム変調を提供するために前記変調器を動作させる工程と、
前記ゲーティング間隔外に、前記キュービットを変調しない第２ランダム変調を提供するために前記変調器を動作させる工程と、
を備えている動作方法。
【請求項２】
前記第１ランダム変調は、第１乱数発生器からの第１信号によって発生され、前記第２ランダム変調は、第２乱数発生器からの第２信号によって発生される、
請求項１に記載の動作方法。
【請求項３】
前記第１および第２ランダム変調は、一つの乱数発生器からの信号に基づいている、
請求項１に記載の動作方法。
【請求項４】
前記キュービットを交換する間、前記第１ランダム変調および前記第２ランダム変調は、前記変調器が、絶え間なく、あるいは、ほぼ絶え間なく変調されるように実行される、
請求項１に記載の動作方法。
【請求項５】
変調器を有するＱＫＤステーションのセキュリティ増強方法であって、
キュービットのそれぞれの予定到達時間に関連するゲーティング間隔の間、前記変調器をランダムに動作させる工程と、
前記ゲーティング間隔外に、前記変調器をランダムに動作させる工程と、
を備えているセキュリティ増強方法。
【請求項６】
前記ＱＫＤシステムの２つの前記ＱＫＤステーション間の安全なキーを確立するために、前記ゲーティング間隔中に行われる変調を記録する工程を含んでいる、
請求項５に記載のセキュリティ増強方法。
【請求項７】
ＱＫＤステーションにおける変調器の動作方法であって、
前記ＱＫＤシステムにおいて前記キュービットを交換している間、前記キュービットが前記変調器を通過する予定であるかどうかにかかわらず、選択変調値に基づいて、常に前記変調器を動作させる工程と、
前記キュービットを実際に変調する変調のための前記変調値を記録する工程と、
を備えている動作方法。
【請求項８】
前記キュービットを実際に変調する変調を特定するために、前記キュービットの前記変調器への予定到達時間に対応する同期信号を用いる工程を含んでいる、
請求項７に記載の動作方法。
【請求項９】
前記ゲーティング間隔の間および前記ゲーティング間隔外において前記変調器をランダムに動作させる工程は、もう一方のＱＫＤステーションと前記キュービットを交換する間、前記変調が、絶え間なく、あるいは、本質的に絶え間なく実行される、
請求項５に記載のセキュリティ増強方法。
【請求項１０】
前記選択変調値は、２つの前記変調値、あるいは、４つの前記変調値で構成されている、
請求項７に記載の動作方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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上の利用性を有している。特に、盗聴されることをより困難にし、これにより、システムのセキュリティを増強する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおける変調器の動作方法に関し、その方法に関連する産業上の利用性を有している。
【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“キュービット”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、キュービット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、イブの存在を明らにする。
【０００３】
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）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、およびＣＨ・Ｂｅｎｎｅｔｔ著論文（非特許文献２）において、説明されている。
ＱＫＤを行なう概略的なプロセスは、Ｂｏｕｗｍｅｅｓｔｅｒ共著書（非特許文献３）のなかで、説明されている。ＱＫＤプロセスの際に、アリスは、乱数発生器（ＲＮＧ）を用いて、基準（“基準ビット”）に対する任意のビットおよびキー（“キービット”）に対する任意のビットを生成し、これにより、キュービット（例えば、偏光すなわち位相エンコードを用いて）を作成し、このキュービットをボブへ送信する。
【０００４】
Ｂｅｎｎｅｔｔによる上述の非特許文献１および非特許文献２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、システムの一端で、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、システムの他端で、光子の偏光すなわち位相をランダムに測定する。Ｂｅｎｎｅｔｔの非特許文献２の誌上で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。干渉計は、温度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する必要がある。
【０００５】
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。自動補償干渉計は、ドイツのＪｏａｃｈｉｍ  Ｍｅｉｅｒ博士によって発明され、１９９５年に（ドイツ語で）刊行されたものである（非特許文献４）。Ｍｅｉｅｒの干渉計は偏光および温度変化を自動的に補償されるので、それに基づく双方型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。
【０００６】
’２３４特許の双方型ＱＫＤシステムにおいて、アリスは、位相変調器と、ファラデーミラーとを備えている。位相変調器には、１セットの変調からランダムに選ばれた変調が出力される。変調は、ボブからの２つの光学的パルスの一方の到達と一致するように時間設定される。その後、パルスは、パルスの一方が変調された状態で、ボブへ戻るよう送信される。残りのパルスは、ボブで、同様に、変調される。パルスは、干渉され、その結果として干渉されたパルスが、検出される。このプロセスが繰り返され、そして、通常のＱＫＤプロトコルおよびプロシージャが続けられて、これにより、アリスとボブとの間の安全なキーを確立する。
【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】“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】“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】
【０００７】
潜在的な盗聴者（イブ）が、アリスの位相変調器のアクティビティを識別することができないことが必要とされる。もし、盗聴者がアリスの変調器の状態を知ることができるなら、イブは、変調されたパルス（キュービット）の値を推定することができるだろう。
アリスの変調器のアクティビティは、キュービットが能動的に変調されているときのみ、ＱＫＤシステムにとって関心がある。場合によっては、アリスの近くにキュービットがないとき、変調するものは何もないので、変調器の値は関心がない。従って、キュービットが存在しないとき、今日のＱＫＤシステムは、変調器を停止させておく。
【０００８】
しかしながら、このことは、イブの盗聴作業を大幅に容易にする。なぜなら、イブが変調器の状態における変化に集中を絞り込むことができるからである。アリスの変調器が、キュービットを変調しているときにのみアクティブである場合に、もし、イブが電磁干渉（ＥＭＩ）測定能力あるいはプローブビーム能力を持っていれば、イブが、どのようにキュービットが変調されたかを割り出すために調査する必要がある情報量は比較的小さい量だけになってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一つの態様は、盗聴者がシステムの変調器の状態に関する情報を得ることをより難しくするように、変調器を有するＱＫＤシステムを動作する方法である。その方法は、キュービットの予定到達時間に関連するゲーティング間隔の間に、第１ランダム変調を提供するために変調器を動作させる工程を含んでいる。また、その方法は、前述のゲーティング間隔外に、第２ランダム変調を提供するために変調器を動作させる工程を含んでいる。その結果、変調器（例えば、アリスの変調器）は、原則常に動作する状態となり、
キュービットがＱＫＤステーションの間で交換される際には、常に、あるいはそれに近い状態で、異なる変調が適用されることとなる。これにより、変調器の状態に関する情報を得ようとする盗聴者は、どの変調器の状態が実際にキュービットをコード化（変調）しているのか（「キュービット変調」）、変調されていないのか（「ジャバ変調」）を判断する必要がある。
【００１０】
キュービットの予定到達時間の間の（つまり、“ゲーティング間隔”の間の）、変調器の作動は、変調器に制御信号を出力することによって行われている。ゲーティング間隔外の変調器の作動は、変調器にジャバ信号を出力することによって行われている。制御信号およびジャバ信号は、どちらも、乱数発生器（ＲＮＧ）からの乱数が出力される電圧制御器（変調器ドライバー）によって生成される。乱数は、１つのＲＮＧあるいは２つの異なるＲＮＧから得ることができる。このように出力される乱数は、ＱＫＤシステムのプロトコルに関連した１セットの利用可能な変調器位相（例えばΦＡ＝＋３π／４、−３π／４、π／４および−π／４）から変調器位相を選ぶように用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、光ファイバＦＬによって接続された２つのＱＫＤステーション（アリスとボブ）を備える双方向型ＱＫＤシステム１０の概略図である。ボブは、２つのコヒーレントな光学パルスＰ１，Ｐ２を生成するよう適合された光学系２０を備える。光学系２０は、また、位相変調器ＭＢと、レーザーソースＬＳと、可変減衰器２２Ｂとを備える。位相変調器ＭＢは、乱数発生器ユニットＲＮＧ−Ｂに連結された電圧制御器ＶＢに連結されている。次いで、乱数発生器ユニットＲＮＧ−Ｂは、制御器３０Ｂに連結されている。制御器３０Ｂは、また、光学系２０に連結されている。ボブは、また、光学系２０および制御器３０Ｂに動作可能に連結された検出器ユニット４０を備える。検出器ユニット４０は、２つの単一光子検出器（ＳＰＤ）４１，４２を備える。
【００１２】
アリスは、一端で光ファイバＦＬに、そして、反対側の他端でファラデーミラーＦＭに光学的に連結されている位相変調器ＭＡを備える。また、任意に、位相変調器ＭＡの上流に可変減衰器２２Ａを備える。アリスは、また、位相変調器ＭＡに連結された電圧制御器ＶＡと、電圧制御器ＶＡに連結された乱数発生器ＲＮＧ−Ａ１とを備える。実施例において、アリスは、また、電圧制御器ＶＡに連結された第２乱数発生器ＲＮＧ−Ａ２を備える。アリスは、さらに、乱数発生器ＲＮＧ−Ａ１，ＲＮＧ−Ａ２に連結された制御器３０Ａを備える。
【００１３】
ボブの制御器３０Ｂは、アリスの制御器３０Ｂに同期チャネルＳＣによって（光学的あるいは電子的に）連結され、これにより、アリスとボブとの動作を同期信号ＳＳを介して同期する。詳細には、位相変調器ＭＡ，ＭＢの動作は、同期信号ＳＳを交換する制御器３０Ａ，３０Ｂによって連係される。同期信号ＳＳは、変調されるキュービット（パルス）の予定到達時間に対応している。
〈動作の方法〉
ＱＫＤシステム１０の動作の実施例において、ボブの制御器３０Ｂは、光学系２０を作動信号Ｓ０を介して作動させ、これにより、直交偏光を有するコヒーレントな光学パルスＰ１，Ｐ２を生成する。パルスは、作動していないボブの位相変調器ＭＢを通るが、任意に、パルスを減衰する可変減衰器２２を通ることもできる。そして、パルスは、光ファイバＦＬを通って、アリスへと進む。
【００１４】
その後、パルスＰ１，Ｐ２は、作動していないアリスの位相変調器ＭＡを通る。パルスは、パルスの偏光を９０°回転させるファラデーミラーＦＭに反射する。これらパルスが位相変調器ＭＡを通って戻ってくるとき、アリスは、第１パルスＰ１を未変調で通過させるが、第２パルスＰ２の位相を変調する（つまり、位相シフトΦＡを与える）。
アリスにおけるパルスＰ２の変調は、制御器３０Ａによって実行される。制御器３０Ａは、よくタイミングが合わされた信号Ｓ１を乱数発生器ＲＮＧ−Ａ１へ出力する。乱数発生器ＲＮＧ−Ａ１は、乱数を表す信号Ｓ２を電圧制御器ＶＡへ出力する。それに応じて、電圧制御器ＶＡは、ランダムに選択された電圧制御信号ＳＡ（例えば、Ｖ［＋３π／４］、［Ｖ−３π／４］、Ｖ［＋π／４］、あるいはＶ［−π／４］）を、位相変調器ＭＡに送信し、これにより、位相変調を、対応するランダムに選択された位相シフトΦＡ＝＋３π／４、−３π／４、π／４あるいは−π／４にセットする。
【００１５】
そして、２つのパルスＰ１，Ｐ２は、可変減衰器２２Ａを通り、これにより、これらのパルスは、単一光子レベルになる（つまり、統計的に、パルス当たり１つ以下の光子を有する）。パルスは、ボブへと戻る。このとき、パルスＰ２は、変化することなく、位相変調器ＭＢを通る。しかし、ボブは、ランダムに選択された位相シフトΦＢをパルスＰ１に与える。その変調は、制御器３０Ｂによって実行される。制御器３０Ｂは、よくタイミングが合わされた信号Ｓ３をＲＮＧ−Ｂへ出力する。ＲＮＧ―Ｂは、乱数を表す信号Ｓ４を電圧制御器ＶＢへ出力する。それに応じて、電圧制御器ＶＢは、ランダムに選択された電圧制御信号ＳＢ（例えば、Ｖ［＋π／４］あるいはＶ［−π／４］）を位相変調器ＭＢに送信し、これにより、位相変調を、＋π／４あるいは−π／４の対応する値にセットする。
【００１６】
さらに、パルスＰ１，Ｐ２は、光学系２０に入り、そこで、干渉するよう再結合される。ＳＰＤ４１，４２は、強めあう干渉（ΦＡ−ΦＢ＝０）がＳＰＤ４１によって検出され、弱め合う干渉（ΦＡ−ΦＢ＝π）がＳＰＤ４２によって検出されるように配置される。
ボブがアリスと同じ基準位相を与えるとき、ＳＰＤ４１におけるカウントは二値で０を示し、ＳＰＤ４２におけるカウントは二値で１を示す。しかしながら、ボブの基準位相がアリスとは異なるとき、相関性はなく、カウントは、ＳＰＤ４１あるいは４２のいずれでも同じ確率となる（つまり、干渉パルスは、５０：５０のチャンスでいずれのＳＰＤにも検出される）。検出ユニット４０においてその結果として検出された信号は、制御器３０Ｂに検出器信号Ｓ４０を通じて伝送される。そこで、検出された位相は、位相変調器ＭＢに与えられた変調状態とともに、記憶される。
〈常時変調〉
ＱＫＤシステム１０の動作の説明は、これまでのところ、アリスの変調器が、ファラデーミラーＦＭから反射される光学パルスＰ２の到達と一致するように時間設定される電圧信号ＳＡを受信しない限り作動しない、従来技術の説明と基本的に同じものである。しかしながら、従来技術方式の下では、位相変調器ＭＡの変調状態に関する情報を得ることができる盗聴者は、ただ測定をすることについて気にする必要があるだけであって、その測定が、キュービットの実際の変調（つまり、パルスＰ１あるいはＰ２の変調）に関するものかどうかまで気にする必要はなかった。
【００１７】
このように、本発明は、変調するキュービットがないときであっても位相変調器ＭＡを作動させることによって従来技術を改善している。この場合、キュービットが実際に変調されている短い期間を見つけるために、盗聴者イブは、さらにより多くのデータを厳密に調査する必要があることになる。
図２は、同期信号ＳＳによって示される、キュービットの予定到達に対する位相変調器ＭＡの動作を示すタイミング図である。実施例において、予定到達が同期信号ＳＳに関連しているキュービットの変調は、上述の通り実行される。一般的に、同期信号ＳＳのデューティサイクルは、とても低く、例えば、０．５％のオーダーである。このような低い同期デューティサイクルは、盗聴者が、キュービットデータを得るためにキュービット変調を“聞く”ことができるような時間は、とても短い期間であることを意味する。
【００１８】
このように、“ゲーティング間隔”ＧＩという予定到達時間周辺の短い期間の間、位相変調器ＭＡは、電圧制御器ＶＡからの制御信号ＳＡによって作動される。これは、同期信号ＳＳを囲んでいるゲーティング間隔ＧＩにわたって、０から１へ（つまり、オフからオンへ）と変化する制御信号ＳＡとして、図２に例示される。なお、実際上、制御信号ＳＡは、セットされる位相に対応する電圧を有する。
【００１９】
ゲーティング間隔ＧＩ外で、制御器３０Ａは、乱数発生器ＲＮＧ−Ａ２を作動信号Ｓ５を通じて作動させ、これにより、乱数を電圧制御器ＶＡへ信号Ｓ６を通じて送信する。次に、信号Ｓ６は、電圧制御器ＶＡに、ジャバ信号ＳＪを位相変調器ＭＡへと送信させる。なお、制御信号ＳＡと同様に、ジャバ信号ＳＪは、ランダムに選択された位相に対応する電圧を、実際上、有する。なお、ジャバ信号ＳＪは、制御信号ＳＪと同じ信号の幅を有し、これにより、これらの２つの信号タイプは盗聴者には識別できないことが好ましい。
【００２０】
図２において、値“０”，”１”は、実行可能な特定のモード（つまり、キュービット変調モードあるいはジャバ変調モード）に対応している。制御信号（つまり、キュービット変調信号）ＳＡおよびジャバ信号ＳＪも、また、例示のために示されている（ただし、スケール化されていない）。
制御信号ＳＡ変調およびジャバ信号ＳＪ変調の組み合わせは、キュービットの予定到達に関連した短いゲーティング間隔中にのみ変調器を（ランダムに）作動するのではなく、基本的に、位相変調器ＭＡに常時の（言い換えれば、絶え間なく）ランダム変調をもたらす。
【００２１】
ジャバ信号モードでは、変調を必要とするキュービットが存在しないであろうことを除いて、ジャバ信号ＳＪは、まさに制御信号ＳＡがキュービット変調モードの間に行うように、位相変調器ＭＡをランダムに作動させる。このように、キュービットのコード化に関連した位相変調器ＭＡの変調状態（言い換えれば、変調値）の識別に集中する盗聴者は、それぞれの変調がキュービットに対するものだと仮定することに、もはや利点がなくなる。これで、盗聴者は、どの変調イベントが実際にキュービット変調に対応するか、そして、どれが単にジャバ信号変調であったか、を評価する付加的な負担を強いられる。
【００２２】
実施例において、ジャバ変調モードに対応するゲーティング間隔を囲んでいるタイミングウィンドウは、ＦＰＧＡあるいは他の制御器３０Ａにおけるタイミング装置ＴＤなどによって決定される。詳細には、タイミング装置ＴＤは、キュービット変調が生じる可能性が起こりうる最悪のケースの期間を囲むジャバ信号ＳＪのタイミングウィンドウを確立する。したがって、上述の通り、タイミング装置ＴＤは、ジャバ変調が位相変調器ＭＡにＲＮＧ−Ａ２を通じていつ出力されるかを決定する。なお、他の実施の形態においては、アリスが、ただ１つの乱数発生器（例えば、ＲＮＧ−Ａ１）を用いて、制御変調およびジャバ変調を生成する。
【００２３】
制御器３０Ａは、ゲーティング間隔中に、どの位相変調が位相変調器ＭＡに適用されたかを記録し、これにより、安全なキーを、既知のＱＫＤプロトコルおよびプロシージャを用いるアリスとボブとの間で確立することができる。
本発明を、好ましい実施の形態に関連して説明したが、本発明は、そのようには限定されないことは、理解されよう。それどころか、本発明は、添付した特許請求の範囲によって特定される発明の精神および範囲に含まれる、あらゆる代替例、変形例、均等物に及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の動作方法を実行するために適用した双方型ＱＫＤシステムの概略図。
【図２】制御信号、ジャバ信号および同期信号のタイミング図であって、制御信号が、どのようにそれぞれの同期信号を囲むゲーティング間隔の間に位相変調器を作動させるか、および、どのようにジャバ信号が、ゲーティング間隔外の間に位相変調器を作動させるかを示した図。
【国際調査報告】
2008518509.tif 000005