(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子暗号に基づく通信処理を実行する送信側の量子暗号通信装置であって、
光パルスを発生する光源部と、
可変波長板を用いて前記光パルスの偏光変調を行う偏光変調部と、
可変波長板と偏光子で構成されて、前記偏光変調部に入射される前記光パルスの強度変調を行う強度変調部と、
前記強度変調部を駆動して前記光パルスを予め設定した複数の強度の何れかに調整し、前記偏光変調部の可変波長板を駆動して、前記強度の調整された光パルスの偏光状態を予め設定した複数の偏光基底のいずれかにランダムに切り替える制御部と
を有する量子暗号通信装置。
【請求項２】
前記偏光変調部の可変波長板として液晶リターダを用いた請求項１記載の量子暗号通信装置。
【請求項３】
前記液晶リターダにおける前記光パルスの入射面側に偏光子を一体に設けた請求項２記載の量子暗号通信装置。
【請求項４】
前記液晶リターダの出射面側に、該液晶リターダの光学軸に対して光学軸を４５度傾けた第２の液晶リターダを設けた請求項３記載の量子暗号通信装置。
【請求項５】
前記偏光子と前記液晶リターダとの間に前記強度変調部を設けた請求項３記載の量子暗号通信装置。
【請求項６】
前記強度変調部は液晶リターダと偏光子で構成した請求項５記載の量子暗号通信装置。
【請求項７】
量子暗号に基づく通信処理を実行する送信側の量子暗号通信装置における量子暗号通信方法であり、
光源部で光パルスを発生させる工程と、
偏光変調部で可変波長板を用いて前記光パルスの偏光変調を行う工程と、
可変波長板と偏光子で構成された強度変調部で、前記偏光変調部に入射される前記光パルスの強度変調を行う工程と、
制御部で前記強度変調部を駆動して前記光パルスを予め設定した複数の強度の何れかに調整し、前記偏光変調部の可変波長板を駆動して、前記強度の調整された光パルスの偏光状態を予め設定した複数の偏光基底のいずれかにランダムに切り替える工程とを
設けた量子暗号通信方法。
【請求項８】
量子暗号に基づく通信処理を通信路を介して行う量子暗号通信システムであって、
送信側の量子暗号通信装置は、
光パルスを発生する光源部と、
可変波長板を用いて前記光パルスの偏光変調を行い、偏光変調後の光パルスを前記通信路に出射する偏光変調部と、
可変波長板と偏光子で構成されて、前記偏光変調部に入射される前記光パルスの強度変調を行う強度変調部と、
前記強度変調部を駆動して前記光パルスを予め設定した複数の強度の何れかに調整し、前記偏光変調部の可変波長板を駆動して、前記強度の調整された光パルスの偏光状態を予め設定した複数の偏光基底のいずれかにランダムに切り替える制御部とを備え、
受信側の量子暗号通信装置は、
前記通信路を介して入射された前記送信側の量子暗号通信端末からの光パルスを、偏光基底毎に振り分ける光学部と、
前記偏光基底毎に振り分けられた光パルスを偏光基底毎に検出する受光部と
を有する量子暗号通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、量子暗号通信装置と量子暗号通信方法および量子暗号通信システムに関する。詳しくは、量子暗号通信を行う量子暗号通信装置の小型化を図り、携帯型の電子機器等に搭載可能とする。
【背景技術】
【０００２】
従来、インターネットなどを通じて行う通信におけるセキュリティは、暗号技術によって守られている。暗号方式は、大別して共通鍵暗号と公開鍵暗号の二つの方式がある。例えば共通鍵暗号方式ではＡＥＳ（Advanced Encryption Standard）など、公開鍵暗号方式ではＲＳＡなどが現在よく使われている。
【０００３】
共通鍵暗号方式は、通信を行う二者が共通の秘密鍵を保持する。送信者は、秘密鍵を用いて平文を暗号化して暗号文を作成し、受信者は暗号文を同じ秘密鍵を用いて復号化して元の平文を得る。
【０００４】
共通鍵暗号方式において、セキュリティ保持の要は、鍵の秘密を保つことにある。共通鍵暗号方式は、鍵を総当たりで調べる所謂「総当たり攻撃」が行われると、高い確率で鍵が明らかになる。もちろん、現時点で用いられている共通鍵暗号方式においては、この総当たり攻撃を行うためのリソース（計算機の性能や数）が現実的ではないほど多く必要であると見積もられている。したがって、現時点においては安全であると言える。しかし、将来、計算機の性能の向上等によって総当たり攻撃が現実的になることが予想され、実際、従来から用いられている２−ｋｅｙ  ＴＤＥＳ（Triple DES）と呼ばれる方式は、ＡＥＳへの移行が推奨されている。
【０００５】
総当たり攻撃を含む攻撃に対しては、共通鍵を頻繁に更新する方法を用いることで、セキュリティを強化することができる。つまり、仮に攻撃者は通信を盗聴して鍵を得たとしても、鍵が頻繁に更新されているならば、その鍵で解読できる暗号文の量は少なくなり、全体として攻撃者が得る情報は相対的に少なくなる。
【０００６】
共通鍵を頻繁に更新する一つの方法として、特許文献１に示すように、量子暗号通信を用いて量子鍵配布（ＱＫＤ：Quantum Key Distribution）を行う方法が提案されている。量子鍵配布は、量子状態を送ることができる通信路と通常の通信路とにより結ばれた二者間で、共通の秘密鍵を生成するプロトコルである。このプロトコルは量子力学の原理に基づいており、たとえ通信路が攻撃者により盗聴されたとしても、生成された秘密鍵の情報が、攻撃者には漏れないとされている。この量子鍵配布プロトコルを用いれば、離れた二者間においても、秘密鍵を安全に共有できるので、量子鍵配布プロトコルを用いて随時鍵を生成することにより、先に述べた共通鍵の更新を頻繁に行うことができる。このように、量子鍵配布と共通鍵暗号を組み合わせることにより、共通鍵暗号方式のセキュリティを強化することができる。
【０００７】
量子鍵配布では、例えばＢＢ８４プロトコルや非特許文献２に示されているようにＢ８４プロトコルを拡張した６状態方式のプロトコルが用いられている。また、特許文献２に示されているように、光パルスの強度変調を行うことにより量子鍵配布の暗号的な強度をより強めることができるデコイ法を用いることも行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４０１５３８５号
【特許文献２】特開２００７−２８６５５１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】松本隆太郎, IEICE Technical Report IT2007-43, ISEC20070140, WBS2007-74 (2008-02)「Secret key can be obtained from both compatible and incompatible measurements in the six-state QKD protocol」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、従来の量子暗号通信では、光ケーブルを用いた長距離通信を想定して位相変調器等が用いられることから通信装置が大がかりとなっている。例えば、通信装置はラックに収納されるような大きさであるため、携帯用電子機器、例えば携帯電話、ＰＤＡ、タブレット型ＰＣ、電子書籍リーダー、ノートパソコンなどに導入することが困難である。
【００１１】
そこで、本発明は、携帯用の電子機器等に搭載可能で量子暗号通信を行うことができる量子暗号通信装置と量子暗号通信方法および量子暗号通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の第１の側面は、量子暗号に基づく通信処理を実行する送信側の量子暗号通信装置であって、光パルスを発生する光源部と、可変波長板を用いて前記光パルスの偏光変調を行う偏光変調部と、可変波長板と偏光子で構成されて、前記偏光変調部に入射される前記光パルスの強度変調を行う強度変調部と、前記強度変調部を駆動して前記光パルスを予め設定した複数の強度の何れかに調整し、前記偏光変調部の可変波長板を駆動して、前記強度の調整された光パルスの偏光状態を予め設定した複数の偏光基底のいずれかにランダムに切り替える制御部とを有する量子暗号通信装置にある。
【００１３】
この発明においては、例えば半導体発光素子を用いて構成された光源部で光パルスを発生させる。偏光変調部では可変波長板として液晶リターダを用いて、光パルスの偏光変調が行われる。制御部は、液晶リターダを駆動して、光パルスの偏光状態を予め設定した複数の偏光基底のいずれかに切り替える。このようにして、送信側の量子暗号通信装置は、偏光変調された光パルスを出力する。また、液晶リターダにおける光パルスの入射面側には偏光子が一体に設けられる。また、液晶リターダの出射面側に、該液晶リターダの光学軸に対して光学軸を４５度傾けた第２の液晶リターダが設けられて、この２つの液晶リターダが制御部によって駆動されて６状態方式のプロトコルを用いた量子暗号通信が行われる。また、偏光子と液晶リターダとの間に強度変調部、例えば液晶リターダと偏光子で構成した強度変調部が設けられて、光パルスの強度の切り替えが行われて量子暗号通信が行われる。
【００１４】
この発明の第２の側面は、量子暗号に基づく通信処理を実行する送信側の量子暗号通信装置における量子暗号通信方法であり、光源部で光パルスを発生させる工程と、偏光変調部で可変波長板を用いて前記光パルスの偏光変調を行う工程と、可変波長板と偏光子で構成された強度変調部で、前記偏光変調部に入射される前記光パルスの強度変調を行う工程と、制御部で前記強度変調部を駆動して前記光パルスを予め設定した複数の強度の何れかに調整し、前記偏光変調部の可変波長板を駆動して、前記強度の調整された光パルスの偏光状態を予め設定した複数の偏光基底のいずれかにランダムに切り替える工程とを設けた量子暗号通信方法にある。
【００１５】
この発明の第３の側面は、量子暗号に基づく通信処理を通信路を介して行う量子暗号通信システムであって、送信側の量子暗号通信装置は、光パルスを発生する光源部と、可変波長板を用いて前記光パルスの偏光変調を行い、偏光変調後の光パルスを前記通信路に出射する偏光変調部と、可変波長板と偏光子で構成されて、前記偏光変調部に入射される前記光パルスの強度変調を行う強度変調部と、前記強度変調部を駆動して前記光パルスを予め設定した複数の強度の何れかに調整し、前記偏光変調部の可変波長板を駆動して、前記強度の調整された光パルスの偏光状態を予め設定した複数の偏光基底のいずれかにランダムに切り替える制御部とを備え、受信側の量子暗号通信装置は、前記通信路を介して入射された前記送信側の量子暗号通信端末からの光パルスを、偏光基底毎に振り分ける光学部と、前記偏光基底毎に振り分けられた光パルスを偏光基底毎に検出する受光部とを有する量子暗号通信システムにある。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、光源部で発生された光パルスの偏光状態を可変波長板、例えば液晶リターダによって、予め設定した複数の偏光基底のいずれかにランダムに切り替えることができる。したがって、簡単な構成で偏光変調が行われた光パルスを送信側から受信側に出射できるので量子暗号通信装置やシステムを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】量子暗号通信システムの全体構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の構成を示す図である。
【図３】液晶リターダ２２１による偏光の変調を説明するための図である。
【図４】第２の実施の形態の構成を示す図である。
【図５】第２の実施の形態の他の構成を示す図である。
【図６】液晶リターダ２２１と１／４波長板２２２による偏光の変調を説明するための図である。
【図７】第３の実施の形態の構成を示す図である。
【図８】液晶リターダ２２１，２２３による偏光の変調を説明するための図である。
【図９】第４の実施の形態の構成を示す図である。
【図１０】第５の実施の形態の構成を示す図である。
【図１１】量子暗号通信装置を携帯電話に組み込んだ状態を示す図である。
【図１２】量子暗号通信装置をノートパソコンに組み込んだ状態を示す図である。
【図１３】ノートパソコンに組み込んだ状態の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、発明を実施するための形態について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．量子暗号通信システムの全体構成
２．第１の実施の形態
３．第２の実施の形態
４．第３の実施の形態
５．第４の実施の形態
６．第５の実施の形態
【００１９】
＜１．量子暗号通信システムの全体構成と動作＞
図１は、量子暗号通信システムの全体構成を示す図である。量子暗号通信システム１０は、送信側の量子暗号通信装置（以下「送信側通信装置」という）２０と受信側の量子暗号通信装置（以下「受信側通信装置」という）３０を有している。送信側通信装置２０と受信側通信装置３０は、量子通信路５１と古典通信路５５を介して接続されている。
【００２０】
送信側通信装置２０は、光源部２１、偏光変調部２２、鍵メモリ２３、暗号化／復号化部２４、通信部２５、制御部２６を有している。
【００２１】
光源部２１は、レーザダイオードやＬＥＤなどの半導体発光素子と、その半導体発光素子から出射された光パルスをコリメートするレンズ等で構成されている。光源部２１は、制御部２６によって発光の制御が行われる。
【００２２】
偏光変調部２２は、光源部２１から出射された光パルスの偏光状態を、予め設定した複数の偏光基底のいずれかに切り替える。偏光変調部２２は、可変波長板例えば液晶リターダを用いて構成されている。偏光変調部２２は、制御部２６からの制御信号に基づいて偏光変調を行い、光源部２１から出射された光パルスの偏光状態を、制御信号に基づき予め設定した複数の偏光基底のいずれかに高速に切り替えて、量子通信路５１を介して受信側通信装置３０に出射する。
【００２３】
鍵メモリ２３は、制御部２６で生成された共通鍵ＫＹcを記憶する。また、暗号化／復号化部２４は、鍵メモリ２３に記憶されている共通鍵ＫＹcを用いて、暗号を用いる通信文ＤＶaの暗号化や、暗号化されている通信文ＤＶaeの復号化を行う。
【００２４】
通信部２５は、暗号を用いない通信文ＤＶbや暗号化／復号化部２４で暗号化された通信文ＤＶaeを、古典通信路５５を介して受信側通信装置３０に送信する。また、通信部２５は古典通信路５５を介して受信側通信装置３０から送信された通信文を受信する。通信部２５は、受信した通信文が暗号化されていない場合、受信した通信文ＤＶbを信号処理部（図示せず）に供給する。また、通信部２５は、受信した通信文が暗号化されている場合、受信した通信文ＤＶaeを暗号化／復号化部２４に供給する。したがって、復号化がなされた通信文ＤＶaが暗号化／復号化部２４から信号処理部に供給される。
【００２５】
制御部２６は、量子暗号通信を行うために、光源部２１からの光パルスの出射制御や、出射された光パルスに対して偏光変調部２２で行う偏光変調の制御を行う。また、制御部２６は、通信部２５や古典通信路５５を介して受信側通信装置３０と通信を行い、量子暗号通信の通信結果から共通鍵を生成する処理、通信文の通信制御や共通鍵を用いた暗号化や復号化の制御等を行う。
【００２６】
受信側通信装置３０は、光学部３１、受光部３２、鍵メモリ３３、暗号化／復号化部３４、通信部３５、制御部３６を有している。
【００２７】
光学部３１は、送信側通信装置２０から量子通信路５１を介して供給された偏光変調後の光パルスを、偏光基底毎に振り分ける。受光部３２は、偏光基底毎に振り分けられた光パルスを偏光基底毎に検出して、検出結果を制御部３６に出力する。
【００２８】
鍵メモリ３３は、制御部３６で受光部３２からの検出結果に基づいて生成された共通鍵ＫＹcを記憶する。また、暗号化／復号化部３４は、鍵メモリ３３に記憶されている共通鍵ＫＹcを用いて、暗号を用いる通信文ＤＶaの暗号化や、暗号化されている通信文ＤＶaeの復号化を行う。
【００２９】
通信部３５は、暗号を用いない通信文ＤＶbや暗号化／復号化部３４で暗号化された通信文ＤＶaeを、古典通信路５５を介して送信側通信装置２０に送信する。また、通信部３５は古典通信路５５を介して送信側通信装置２０から送信された通信文を受信する。通信部３５は、受信した通信文が暗号化されていない場合、受信した通信文ＤＶbを信号処理部（図示せず）に供給する。また、通信部３５は、受信した通信文が暗号化されている場合、受信した通信文ＤＶaeを暗号化／復号化部３４に供給する。したがって、復号化がなされた通信文ＤＶaが暗号化／復号化部３４から信号処理部に供給される。
【００３０】
制御部３６は、受光部３２の検出結果を用いて、通信部３５や古典通信路５５を介して送信側通信装置２０と通信を行い、量子暗号通信の通信結果から共通鍵を生成する処理、通信文の通信制御や共通鍵を用いた暗号化や復号化の制御等を行う。
【００３１】
このように構成された量子暗号通信システムでは、送信側通信装置２０の制御部２６で独立に乱数を生成して、生成した乱数を偏光変調部２２に供給して、量子通信路５１を通過する光信号の偏光変調を行う。また、受信側通信装置３０の制御部３６は、受光部３２の受光結果に基づき受信信号を生成して、受信信号に対するエラー訂正やプライバシー増幅等を行い、送信側通信装置２０と受信側通信装置３０で共通の共通鍵の生成や更新を行う。さらに、制御部３６は、鍵メモリ２３，３３に共通の共通鍵を記憶させる。
【００３２】
＜２．第１の実施の形態＞
第１の実施の形態では、２種類の直線偏光と２種類の円偏光の合わせて４種類の偏光状態を用い、ＢＢ８４プロトコルにしたがって、自由空間を伝播する光パルスを利用して量子鍵配布を実行する。
【００３３】
＜２−１．第１の実施の形態の構成＞
図２は、第１の実施の形態の構成を示している。なお、図２では、図１に示す光源部２１と偏光変調部２２および光学部３１と受光部３２の構成を示している。
【００３４】
送信側通信装置２０の光源部２１は、レーザダイオードやＬＥＤなどの半導体発光素子２１１と、その半導体発光素子２１１から出射された光パルスをコリメートするレンズ２１２を用いて構成されている。
【００３５】
偏光変調部２２は、コリメートされた光パルスの偏光状態を、４種類の偏光状態のいずれかに変換する液晶リターダ２２１が用いられている。液晶リターダ２２１は、光源部２１から出射された光パルスの直線偏光の向きに対して、光学軸を４５度傾けて設けられる。液晶リターダ２２１は、制御部２６からの制御信号に応じて、そのＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差を変化させる。
【００３６】
また、偏光変調部２２は、光源部２１から出射された光が直線偏光でない場合、または、直線偏光でも偏光方向を液晶リターダ２２１の光学軸に対して精密に制御することが難しい場合、液晶リターダ２２１における光パルスの入射面側に偏光子２２５を設ける。例えば、偏光子２２５は、液晶リターダ２２１における光パルスの入射面側であって、偏光子２２５から出射される直線偏光に対して液晶リターダ２２１の光学軸が４５度傾くように設定して液晶リターダ２２１と一体化する。このように偏光変調部２２を構成すれば、光源部２１に対して偏光変調部２２の位置を精密に制御しなくとも、偏光方向と液晶リターダ２２１の光学軸を所望の角度とすることができる。
【００３７】
受信側通信装置３０の光学部３１は、無偏光ビームスプリッタ３１１、偏光ビームスプリッタ３１２，３１５、１／４波長板３１３を有している。無偏光ビームスプリッタ３１１は、送信側通信装置２０から出射された光パルスの偏光状態を変化させることなく分割する。偏光ビームスプリッタ３１２は、無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された光パルスの一方を偏光分離する。１／４波長板３１３は、無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された他方の光パルスの偏光状態を、直線偏光の場合は円偏光に、円偏光の場合は直線偏光に変換する。偏光ビームスプリッタ３１５は、１／４波長板３１３により偏光状態が変更された光パルスを偏光分離する。
【００３８】
受光部３２は、受光素子３２１H，３２１V，３２１R，３２１Lを有している。受光素子３２１Hは、偏光ビームスプリッタ３１２で偏光分離された一方の光パルスの検出を行い、受光素子３２１Vは、偏光ビームスプリッタ３１２で偏光分離された他方の光パルスの検出を行う。同様に、受光素子３２１Rは、偏光ビームスプリッタ３１５で偏光分離された一方の光パルスの検出を行い、受光素子３２１Lは、偏光ビームスプリッタ３１５で偏光分離された他方の光パルスの検出を行う。
【００３９】
＜２−２．第１の実施の形態の動作＞
［量子通信動作］
ＢＢ８４プロトコルの量子通信において、送信側通信装置２０は次の動作を行う。
【００４０】
制御部２６は、光源部２１の半導体発光素子２１１をパルス電流により駆動し、光パルスを発生させる。その際、１パルス当たりの光子数は１以下にすることが望ましい（半導体発光素子２１１からの光パルスの強度が強い場合、図には示していないが、ＮＤフィルタなどの減光手段を用いることにより、１パルス当たりの光子数を１以下にすることができる）。
【００４１】
光源部２１で発生された光パルスは、偏光変調部２２の液晶リターダ２２１に入射する。なお、偏光子２２５が設けられている場合は、偏光子２２５を介して液晶リターダ２２１に入射する。
【００４２】
液晶リターダ２２１は、光パルスの到来するタイミングに合わせて、ＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差φが、０度、９０度、１８０度、２７０度のいずれかになるように、制御部２６によってランダムに制御される。
【００４３】
液晶リターダ２２１を通過した光パルスの偏光状態は、位相差φが０度の場合は入射した際の直線偏光のままであり、１８０度の場合は入射した直線偏光に直交する直線偏光に変化し、９０度，２７０度の場合は互いに向きが異なる円偏光に変化する。なお、９０度，２７０度の場合が、左円偏光と右円偏光となるか、右円偏光と左円偏光となるかは、配置する液晶リターダの光学軸（ＳＬＯＷ軸、ＦＡＳＴ軸）の向きによって決まる。
【００４４】
図３は、液晶リターダ２２１による偏光の変調を示している。図３に示すｘ方向の直線偏光を垂直偏光する。また、液晶リターダ２２１のＦＡＳＴ軸を、ｘ方向の軸に対して４５度傾いた位置とする。なお、液晶リターダ２２１のＦＡＳＴ軸を「Ｆ」、ＳＬＯＷ軸を「Ｓ」として示している。
【００４５】
この場合、液晶リターダ２２１のＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差φを０度とすると、液晶リターダ２２１を通過した光パルスは垂直偏光となる。また、位相差φを９０度とした場合は左円偏光、位相差φを１８０度とした場合は水平偏光、位相差φを２７０度とした場合は右円偏光となる。
【００４６】
このように、制御部２６によって偏光状態が４つの偏光状態のいずれかにランダムに制御された光パルスが送信側通信装置２０から出力される。
【００４７】
受信側通信装置３０は、送信側通信装置２０から出射された光パルスを、光学部３１の無偏光ビームスプリッタ３１１で分割する。無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された光パルスの一方は、偏光ビームスプリッタ３１２に入射されて、その偏光成分によって分割され、受光素子３２１Hまたは受光素子３２１Vに入射される。
【００４８】
無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された光パルスの他方は、１／４波長板３１３を通過して、偏光状態が変化させられた後、偏光ビームスプリッタ３１５に入射されて、その偏光成分によって分割され、受光素子３２１Rまたは受光素子３２１Lに入射される。なお、上述の説明では、光パルスを分割すると記載したが、実際には（ただし、ノイズがないとすれば）、一つの光パルスをすべての受光素子が検出することはない。なぜなら、光パルスの強度は、１パルス当たりの光子数を１以下となるように設定されているので、４つの受光素子のうち、いずれか一つで光子が検出されて電気信号に変換されるからである。
【００４９】
表１は、偏光状態毎の受光素子の光パルス検出確率を示している。なお、表１では１パルス当たりの光子数が「１」、無偏光ビームスプリッタ３１１の分割比率がｐ：（１−ｐ）（ただし０＜ｐ＜１）、光損失や盗聴がない理想的な場合の値を示している。
【００５０】
【表１】
0005682212.tif 000002
【００５１】
垂直偏光Ｖまたは水平偏光Ｈの光パルスが、受光素子３２１Hまたは受光素子３２１Vの方に、無偏光ビームスプリッタ３１１で振り向けられる場合、その確率は「ｐ」であり、これらは対応する受光素子によってそれぞれ検出される。すなわち、光パルスが垂直偏光Ｖである場合、受光素子３２１Vで検出される確率は「ｐ」となり、受光素子３２１Hで検出される確率は「０」となる。また、光パルスが水平偏光Ｈである場合、受光素子３２１Vで検出される確率は「０」となり、受光素子３２１Hで検出される確率は「ｐ」となる。
【００５２】
また、垂直偏光Ｖあるいは水平偏光Ｈの光パルスが、受光素子３２１Lまたは受光素子３２１Rの方に、無偏光ビームスプリッタ３１１において、振り向けられる場合、その確率は「１−ｐ」である。また、光パルスは、いずれも等しい確率「０．５」で受光素子によって検出されるから、受光素子３２１L，３２１Rで検出される確率は、光パルスが垂直偏光Ｖあるいは水平偏光Ｈのいずれであっても「０．５（１−ｐ）」の確率となる。
【００５３】
同様に、光パルスが左円偏光Ｌの場合、光パルスが受光素子３２１Lで検出される確率は「１−ｐ」、受光素子３２１Rで検出される確率は「０」となる。また、光パルスが右円偏光Ｒの場合、光パルスが受光素子３２１Lで検出される確率は「０」、受光素子３２１Rで検出される確率は「１−ｐ」となる。さらに、光パルスが受光素子３２１V，３２１Hで検出される確率は、光パルスが左円偏光Ｌあるいは右円偏光Ｒのいずれであっても「０．５ｐ」の確率となる。ＢＢ８４プロトコルにおける、量子通信を行う部分は、以上の動作を繰り返し行い、受光素子３２１V，３２１H，３２１L，３２１Rでの受光結果を制御部３６に出力する。
【００５４】
［古典通信動作］
次に、ＢＢ８４プロトコルにおける量子通信の後に、古典通信が実行される。送信側通信装置２０と受信側通信装置３０は公開通信路（すなわち、通信内容は暗号化されておらず、盗聴者も通信内容をすべて知ることができる）を用いて、以下のプロトコルを実行する。
【００５５】
（１）基底交換
受信側通信装置３０は、公開通信路例えば古典通信路５５を介して送信側通信装置２０と通信を行い、量子通信の受信結果のうち、直線偏光を検出したのか、円偏光を検出したのかという情報だけを制御部３６から通信部３５と送信側通信装置２０の通信部２５を介して制御部２６に送信する。例えば、垂直偏光Ｖを検出した場合は、「垂直偏光Ｖを検出した」という情報を送信するのではなく、「直線偏光を検出した」という情報だけを送信する。送信側通信装置２０の制御部２６は、受信結果においていずれの時刻の受信結果が正しいか検出して検出結果を受信側通信装置３０の制御部３６に通知する。受信側通信装置３０の制御部３６は、通知された検出結果に基づき正しいデータのみを選択する。すなわち、送信側通信装置２０が直線偏光（垂直偏光Ｖまたは水平偏光Ｈ）の光パルスを送り、受信側通信装置３０が円偏光（左円偏光Ｌまたは右円偏光Ｒ）を検出した場合は、共有秘密情報を生成することができない。また、送信側通信装置２０が円偏光（ＬまたはＲ）の光パルスを送り、受信側通信装置３０が直線偏光（ＶまたはＨ）を検出した場合も、共有秘密情報を生成することができない。したがって、これらのデータは捨てる。また、残ったデータから、例えば、直線偏光の場合、垂直偏光Ｖを「０」、水平偏光Ｈを「１」とし、円偏光の場合、左円偏光Ｌを「０」、右円偏光Ｒを「１」とすれば、送信装置と受信装置で相関のあるランダムなビット列を共有できる。このランダムなビット列を元にして、送信側通信装置２０と受信側通信装置３０で共通鍵を生成する。
【００５６】
また、逆に送信側通信装置２０が「直線偏光を送信したのか、円偏光を送信したのか」という情報だけを制御部２６から通信部２５と送信側通信装置３０の通信部３５を介して制御部３６に送信し、受信側通信装置３０の制御部３６は、通知された基底に基づき正しいデータのみを選択することにしても良い。
【００５７】
しかしながら、送信側通信装置と受信側通信装置で共有したビット列には量子通信路５１に起因する誤りや送受信時に生じた誤りが含まれている場合がある。また、量子通信路５１の途中に存在する盗聴者が光子情報を覗き見た場合にも共有ビット列に誤りが発生する。したがって、エラーレートの見積もりやエラー訂正、プライバシー増幅(Privacy Amplification)を行う。
【００５８】
（２）エラーレートの見積り
エラーレートの見積りでは、基底交換で得られたビット列の中から、送信側通信装置２０が直線偏光（ＶまたはＨ）の光パルスを送り、受信側通信装置３０が直線偏光（ＶまたはＨ）を検出した場合と、送信側通信装置２０が円偏光（ＬまたはＲ）の光パルスを送り、受信側通信装置３０が円偏光（ＬまたはＲ）を検出した場合とから、それぞれ、半分程度のデータをランダムに選び出す。さらに、ランダムに選び出されたデータの値を照合し、エラーレートを見積もる。なお、エラーレートの見積りに用いたデータは、ビット列から削除する。
【００５９】
（３）エラー訂正
エラー訂正では、エラーレートの見積りに用いたデータが除かれたビット列に対してエラー訂正を行う。例えば、エラー訂正では、ビット列を複数のブロックに分割して、各ブロックのパリティを照合することによって誤りを含むブロックを特定し、当該ブロックに関してハミング符号等を適用して誤り訂正を行う。
【００６０】
（４）プライバシー増幅
プライバシー増幅では、エラー訂正後のビット列に対して、見積もったエラーレートに応じてプライバシー増幅を行う。このとき、エラーは、盗聴者が存在しなくても、送信側通信装置２０、受信側通信装置３０、あるいは量子通信路中の雑音の影響により発生する可能性があるが、安全性を高めるために、すべてのエラーの起源は盗聴に伴うものであると考える。つまり、盗聴によりエラーが生じたとみなして、盗聴者に漏れた情報量を、エラーレートから推定して、その情報量分だけビット列を短くするような変換を行って、その短くしたビット列に関しては、盗聴者の情報量が無視できるようにする。
【００６１】
このような処理を行うと、例えばエラーレートが小さい（例えばＢＢ８４の場合は約１１％以下なら）と１より長いビット列が得られる。得られたビット列は、共通鍵として送信側通信装置２０の鍵メモリ２３および受信側通信装置３０の鍵メモリ３３に保存する。エラーレートが大きく、ビット列の長さが０になってしまう場合は、鍵配布は失敗したことになる。
【００６２】
なお、上述の説明では、理解を容易とするために、量子通信の部分と、古典通信の部分を順番に行うように説明した。しかし、実際には、量子通信の部分を継続的に実行し、ある程度のデータが蓄積されたところで、間欠的に随時、古典通信の部分を行うようにすることが望ましい。なぜなら、単位時間当たりに得られる共通鍵の量が多くなるからである。
【００６３】
送信側通信装置２０と受信側通信装置３０に蓄えられた共通鍵は、通信の暗号化が必要な際に随時使用される。例えば、共通鍵暗号方式を用いて暗号通信を行う際に、一つの共通鍵を用いて暗号化する平文の量を予め決めておく。ここで、通信量がその設定された通信量を超えたら、送信側通信装置と受信側通信装置が同時に、それぞれの鍵メモリから共通鍵を取り出し、共通鍵暗号に用いる鍵を更新する。あるいは、通信量がほぼ一定で、大きく変動しないのであれば、予め定められた時間間隔毎に、送信側通信装置２０と受信側通信装置３０が同時に、それぞれの鍵メモリから共通鍵を取り出し、共通鍵暗号方式に用いる鍵を更新する。
【００６４】
このように、送信側通信装置２０は、可変波長板例えば液晶リターダを用いて偏光変調部を構成していることから、従来の量子暗号通信のように位相変調器等を用いた通信装置に比べて、小型化が容易であり携帯用の電子機器等に搭載することができるようになる。
【００６５】
また、偏光子は、液晶リターダの入射面側であって、偏光子から出射される直線偏光に対して液晶リターダの光学軸が４５度傾くように、液晶リターダと一体化して設けられる。したがって、光源部に対して偏光変調部の位置を精密に制御しなくとも、偏光方向と液晶リターダの光学軸を容易に所望の角度とすることができる。
【００６６】
＜３．第２の実施の形態＞
第２の実施の形態では、４種類の直線偏光の偏光状態を用い、ＢＢ８４プロトコルにしたがって、自由空間を伝播する光パルスを利用して量子鍵配布を実行する。
【００６７】
＜３−１．第２の実施の形態の構成＞
図４は、第２の実施の形態の構成を示している。なお、図４では、図１に示す光源部２１と偏光変調部２２および光学部３１と受光部３２の構成を示している。
【００６８】
送信側通信装置２０の光源部２１は、レーザダイオードやＬＥＤなどの半導体発光素子２１１と、その半導体発光素子２１１から出射された光パルスをコリメートするレンズ２１２を用いて構成されている。
【００６９】
偏光変調部２２は、コリメートされた光パルスの偏光状態を、４種類の偏光状態のいずれかに変換する液晶リターダ２２１が設けられている。液晶リターダ２２１は、光源部２１から出射された光パルスの直線偏光の向きに対して、光学軸を４５度傾けて設けられる。液晶リターダ２２１は、制御部２６からの制御信号に応じて、そのＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差を変化させる。
【００７０】
１／４波長板２２２は、液晶リターダ２２１における光パルスの出射面側に、液晶リターダ２２１の光学軸に対して４５度傾けて設けられている。１／４波長板２２２は、入射された光パルスが直線偏光の場合は直線偏光のまま出射する。また、１／４波長板２２２は、入射された光パルスが円偏光の場合、入射された光パルスが直線偏光の場合における直線偏光とは４５度傾いた直線偏光に変化させて出射する。
【００７１】
また、偏光変調部２２では、光源部２１から出射された光が直線偏光でない場合、または、直線偏光でも偏光方向を液晶リターダ２２１の光学軸に対して精密に制御することが難しい場合、液晶リターダ２２１における光パルスの入射面側に偏光子２２５を設ける。例えば、偏光子２２５は、液晶リターダ２２１における光パルスの入射面側であって、偏光子２２５から出射される直線偏光に対して液晶リターダ２２１の光学軸が４５度傾くように設定して液晶リターダ２２１と一体化する。このように偏光変調部２２を構成すれば、光源部２１に対して偏光変調部２２の位置を精密に制御しなくとも、偏光方向と液晶リターダ２２１の光学軸を所望の角度とすることができる。
【００７２】
受信側通信装置３０の光学部３１は、無偏光ビームスプリッタ３１１、偏光ビームスプリッタ３１２，３１５を有している。無偏光ビームスプリッタ３１１は、送信側通信装置２０から出射された光パルスの偏光状態を変化させることなく分割する。偏光ビームスプリッタ３１２は、無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された光パルスの一方を偏光分離する。偏光ビームスプリッタ３１５は、例えば偏光ビームスプリッタ３１２が設置されている面に対して、入射光の光軸を中心として４５度回転させて設置されており、無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された光パルスの他方を偏光分離する。
【００７３】
また、図５に示すように、無偏光ビームスプリッタ３１１と偏光ビームスプリッタ３１５との間に１／２波長板３１４を設けて、直線偏光の向きを４５度回転させる。このようにすれば、偏光ビームスプリッタ３１５を偏光ビームスプリッタ３１２が設置されている面に対して４５度回転させる必要がない。
【００７４】
受光部３２は、受光素子３２１H，３２１V，３２１+，３２１-を有している。受光素子３２１Hは、偏光ビームスプリッタ３１２で偏光分離された一方の光パルスの検出を行い、受光素子３２１Vは、偏光ビームスプリッタ３１２で偏光分離された他方の光パルスの検出を行う。同様に、受光素子３２１+は、偏光ビームスプリッタ３１５で偏光分離された一方の光パルスの検出を行い、受光素子３２１-は、偏光ビームスプリッタ３１５で偏光分離された他方の光パルスの検出を行う。
【００７５】
＜３−２．第２の実施の形態の動作＞
［量子通信動作］
ＢＢ８４プロトコルの量子通信においては、送信側通信装置２０は次の動作を行う。
【００７６】
制御部２６は、光源部２１の半導体発光素子２１１をパルス電流により駆動し、光パルスを発生させる。その際、１パルス当たりの光子数は１以下にすることが望ましい（半導体発光素子２１１からの光パルスの強度が強い場合、図には示していないが、ＮＤフィルタなどの減光手段を用いることにより、１パルス当たりの光子数を１以下にすることができる）。
【００７７】
光源部２１で発生された光パルスは、偏光変調部２２の液晶リターダ２２１に入射する。なお、偏光子２２５が設けられている場合は、偏光子２２５を介して液晶リターダ２２１に入射する。
【００７８】
液晶リターダ２２１は、光パルスの到来するタイミングに合わせて、ＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差φが、０度、９０度、１８０度、２７０度のいずれかになるように、制御部２６によってランダムに制御される。
【００７９】
液晶リターダ２２１を通過した光パルスの偏光状態は、位相差φが０度の場合は入射した際の直線偏光のままであり、１８０度の場合は入射した直線偏光に直交する直線偏光に変化し、９０度，２７０度の場合は互いに向きが異なる円偏光に変化する。なお、９０度，２７０度の場合が、左円偏光と右円偏光となるか、右円偏光と左円偏光となるかは、配置する液晶リターダの光学軸（ＳＬＯＷ軸、ＦＡＳＴ軸）の向きによって決まる。液晶リターダ２２１を通過した光パルスは、１／４波長板２２２に入射される。
【００８０】
１／４波長板２２２は液晶リターダ２２１の光学軸に対して４５度傾けて設けられている。したがって、入射した光パルスは、直線偏光の場合は直線偏光のまま、円偏光の場合は、光パルスが直線偏光である場合に対して４５度傾いた直線偏光に変化する。
【００８１】
図６は、液晶リターダ２２１と１／４波長板２２２による偏光の変調を示している。図６に示すｘ方向の直線偏光を垂直偏光する。また、液晶リターダ２２１のＦＡＳＴ軸を、ｘ方向の軸に対して４５度傾いた位置とする。さらに、１／４波長板２２２は、液晶リターダ２２１の光学軸に対して４５度傾いた位置とする。なお、液晶リターダ２２１，１／４波長板２２２のＦＡＳＴ軸を「Ｆ」、ＳＬＯＷ軸を「Ｓ」として示している。
【００８２】
この場合、液晶リターダ２２１のＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差φを０度とすると、液晶リターダ２２１を通過した光パルスは垂直偏光となる。また、位相差φを９０度とした場合は左円偏光、位相差φを１８０度とした場合は水平偏光、位相差φを２７０度とした場合は右円偏光となる。
【００８３】
ここで、直線偏光の偏光方向を表す角度は垂直（ｘ軸方向）が０度で、そこからｙ軸方向へ回転する方向を正とした。そして１／４波長板２２２を通過した後では、それぞれ、液晶リターダ２２１の位相差が０度の場合、垂直偏光Ｖ、９０度の場合＋４５度傾いた直線偏光＋、１８０度の場合水平偏光Ｈ、２７０度の場合−４５度傾いた直線偏光−となる。
【００８４】
このように、制御部２６によって偏光状態が４つの偏光状態のいずれかにランダムに制御された光パルスが送信側通信装置２０から出力される。
【００８５】
受信側通信装置３０は、送信側通信装置２０から出射された光パルスを、光学部３１の無偏光ビームスプリッタ３１１で分割する。無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された光パルスの一方は、偏光ビームスプリッタ３１２に入射されて、その偏光成分によって分割され、受光素子３２１Hまたは受光素子３２１Vに入射される。
【００８６】
無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された光パルスの他方は、偏光ビームスプリッタ３１５に入射されて、その偏光成分によって分割され、受光素子３２１+または受光素子３２１-に入射される。
【００８７】
偏光状態毎の受光素子の光パルス検出確率は、表１の左円偏光Ｌを直線偏光＋、右円偏光Ｒを直線偏光−、受光素子３２１Lを受光素子３２１+、受光素子３２１Rを受光素子３２１-と読み替えた表２となる。なお、表２においても、１パルス当たりの光子数が「１」、無偏光ビームスプリッタ３１１の分割比率がｐ：（１−ｐ）（ただし０＜ｐ＜１）、光損失や盗聴がない理想的な場合の値を示している。
【００８８】
【表２】
0005682212.tif 000003
【００８９】
垂直偏光Ｖまたは水平偏光Ｈの光パルスが、受光素子３２１Hまたは受光素子３２１Vの方に、無偏光ビームスプリッタ３１１で振り向けられる場合、その確率は「ｐ」であり、これらは対応する受光素子によってそれぞれ検出される。すなわち、光パルスが垂直偏光Ｖである場合、受光素子３２１Vで検出される確率は「ｐ」となり、受光素子３２１Hで検出される確率は「０」となる。また、光パルスが水平偏光Ｈである場合、受光素子３２１Vで検出される確率は「０」となり、受光素子３２１Hで検出される確率は「ｐ」となる。
【００９０】
また、垂直偏光Ｖあるいは水平偏光Ｈの光パルスが、受光素子３２１+または受光素子３２１-の方に、無偏光ビームスプリッタ３１１において、振り向けられる場合、その確率は「１−ｐ」である。また、光パルスはいずれも等しい確率「０．５」で受光素子によって検出されるから、受光素子３２１+，３２１-で検出される確率は、光パルスが垂直偏光Ｖあるいは水平偏光Ｈのいずれであっても「０．５（１−ｐ）」の確率となる。
【００９１】
同様に、光パルスが＋４５度直線偏光＋の場合、光パルスが受光素子３２１+で検出される確率は「１−ｐ」、受光素子３２１-で検出される確率は「０」となる。また、光パルスが−４５度直線偏光−の場合、光パルスが受光素子３２１+で検出される確率は「０」、受光素子３２１-で検出される確率は「１−ｐ」となる。さらに、光パルスが受光素子３２１V，３２１Hで検出される確率は、光パルスが＋４５度直線偏光＋あるいは−４５度直線偏光−のいずれであっても「０．５ｐ」の確率となる。ＢＢ８４プロトコルにおける、量子通信を行う部分は、以上の動作を繰り返し行う。
【００９２】
［古典通信動作］
次に、ＢＢ８４プロトコルにおける量子通信の後に、古典通信が実行される。送信側通信装置２０と受信側通信装置３０は公開通信路（すなわち、通信内容は暗号化されておらず、盗聴者も通信内容をすべて知ることができる）を用いて、以下のプロトコルを実行する。
【００９３】
（１）基底交換
受信側通信装置３０は、公開通信路例えば古典通信路５５を介して送信側通信装置２０と通信を行い、量子通信の受信結果の受信結果のうち、直線偏光（垂直偏光Ｖまたは水平偏光Ｈ）を検出したのか、４５度傾いた直線偏光（＋４５度直線偏光＋または−４５度直線偏光−）を検出したのかという情報だけを制御部３６から通信部３５と送信側通信装置２０の通信部２５を介して制御部２６に送信する。例えば、垂直偏光Ｖを検出した場合は、「垂直偏光Ｖを検出した」という情報を送信するのではなく、「直線偏光を検出した」という情報だけを送信する。送信側通信装置２０の制御部２６は、受信結果においていずれの時刻の受信結果が正しいか検出して検出結果を受信側通信装置３０の制御部３６に通知する。受信側通信装置３０の制御部３６は、通知された検出結果に基づき正しいデータのみを選択する。すなわち、送信側通信装置２０が直線偏光（ＶまたはＨ）の光パルスを送り、受信側通信装置３０が４５度傾いた直線偏光（＋または−）を検出した場合は、共有秘密情報を生成することができない。また、送信側通信装置２０が４５度傾いた直線偏光（＋または−）の光パルスを送り、受信側通信装置３０が直線偏光（ＶまたはＨ）を検出した場合も共有秘密情報を生成することができない。したがって、これらのデータは捨てる。また、残ったデータから、例えば、直線偏光の場合、垂直偏光Ｖを「０」、水平偏光Ｈを「１」とし、直線偏光＋を「０」、直線偏光−を「１」とすれば、送信装置と受信装置で相関のあるランダムなビット列を共有できる。このランダムなビット列を元にして、送信側通信装置２０と受信側通信装置３０で共通鍵を生成する。
【００９４】
また、逆に送信側通信装置２０が「直線偏光を送信したのか、４５度傾いた直線偏光を送信したのか」という情報だけを制御部２６から通信部２５と送信側通信装置３０の通信部３５を介して制御部３６に送信し，受信側通信装置３０の制御部３６は、通知された基底に基づき正しいデータのみを選択することにしても良い。
【００９５】
さらに、送信側通信装置と受信側通信装置で共有したビット列には量子通信路５１に起因する誤りや送受信時に生じた誤りが含まれている場合がある。したがって、この誤りを訂正するエラー訂正やエラーレートの見積り、見積もったエラーレートに基づいて、盗聴されたと想定し得る情報量を削減するプライバシー増幅を、第１の実施の形態と同様に行う。
【００９６】
送信側通信装置２０と受信側通信装置３０に蓄えられた共通鍵は、通信の暗号化が必要な際に随時使用される。例えば、共通鍵暗号方式を用いて暗号通信を行う際に、一つの共通鍵を用いて暗号化する平文の量を予め決めておく。ここで、通信量がその設定された通信量を超えたら、送信側通信装置と受信側通信装置が同時に、それぞれの鍵メモリから共通鍵を取り出し、共通鍵暗号に用いる鍵を更新する。あるいは、通信量がほぼ一定で、大きく変動しないのであれば、予め定められた時間間隔毎に、送信側通信装置２０と受信側通信装置３０が同時に、それぞれの鍵メモリから共通鍵を取り出し、共通鍵暗号方式に用いる鍵を更新する。
【００９７】
このように、第２の実施の形態では、液晶リターダに１／４波長板が組み合わされているので、コリメートされた光パルスの偏光状態を、４種類の直線偏光状態のいずれかに変換する偏光変調を行う。このような第２の実施の形態においても、従来の位相変調器等を用いた通信装置に比べて、小型化が容易であり携帯用の電子機器等に搭載することができるようになる。
【００９８】
＜４．第３の実施の形態＞
量子暗号通信では、例えば非特許文献１等に示されているように、Ｂ８４プロトコルを拡張した６状態方式のプロトコル（以下、６状態プロトコルと呼ぶ）を用いることも可能である。したがって、第３の実施の形態では、４種類の直線偏光と２種類の円偏光の合わせて６種類の偏光状態を用いて量子鍵配布を実行する場合について説明する。
【００９９】
＜４−１．第３の実施の形態の構成＞
図７は、第３の実施の形態の構成を示している。なお、図７では、図１に示す光源部２１と偏光変調部２２および光学部３１と受光部３２の構成を示している。
【０１００】
送信側通信装置２０の光源部２１は、レーザダイオードやＬＥＤなどの半導体発光素子２１１と、その半導体発光素子２１１から出射された光パルスをコリメートするレンズ２１２を用いて構成されている。
【０１０１】
偏光変調部２２は、コリメートされた光パルスの偏光状態を、４種類の直線偏光状態と２種類の円偏光状態のいずれかに変換する液晶リターダ２２１，２２３が設けられている。液晶リターダ２２１は、光源部２１から出射された光パルスの直線偏光の向きに対して、光学軸を４５度傾けて設けられる。また、液晶リターダ２２３は、液晶リターダ２２３に対して、光学軸を４５度傾けて設けられる。
【０１０２】
液晶リターダ２２１，２２３は、制御部２６からの制御信号に応じて、そのＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差を変化させる。
【０１０３】
また、偏光変調部２２では、光源部２１から出射された光が直線偏光でない場合、または、直線偏光でも偏光方向を液晶リターダ２２１の光学軸に対して精密に制御することが難しい場合、液晶リターダ２２１における光パルスの入射面側に偏光子２２５を設ける。例えば、偏光子２２５は、液晶リターダ２２１における光パルスの入射面側であって、偏光子２２５から出射される直線偏光に対して液晶リターダ２２１の光学軸が４５度傾くように設定して液晶リターダ２２１と一体化する。このように偏光変調部２２を構成すれば、光源部２１に対して偏光変調部２２の位置を精密に制御しなくとも、偏光方向と液晶リターダ２２１の光学軸を所望の角度とすることができる。
【０１０４】
受信側通信装置３０の光学部３１は、無偏光ビームスプリッタ３１０，３１１、偏光ビームスプリッタ３１２，３１５，３１６、１／４波長板３１３を有している。無偏光ビームスプリッタ３１０は、送信側通信装置２０から出射された光パルスの偏光状態を変化させることなく分割する。無偏光ビームスプリッタ３１１は、無偏光ビームスプリッタ３１０で分割された光パルスの一方を偏光状態を変化させることなく分割する。偏光ビームスプリッタ３１２は、無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された光パルスの一方を偏光に偏光分離する。１／４波長板３１３は、無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された他方の光パルスの偏光状態を、直線偏光の場合は円偏光に、円偏光の場合は直線偏光に変換する。偏光ビームスプリッタ３１５は、１／４波長板３１３により偏光状態が変更された光パルスを偏光分離する。
【０１０５】
偏光ビームスプリッタ３１６は、例えば、偏光ビームスプリッタ３１２が設置されている面に対して、入射光を軸として回転させ、４５度傾けて設置されており、偏光ビームスプリッタ３１２とは４５度傾いた方向の二つの直線偏光に分離する。なお、無偏光ビームスプリッタ３１０と偏光ビームスプリッタ３１６との間に１／２波長板３１７を設けて、直線偏光の向きを４５度回転させれば、偏光ビームスプリッタ３１６を４５度傾けて設置する必要がなくなる。なお、無偏光ビームスプリッタ３１０，３１１で３つに分けた光パルスのどれをどの偏光ビームスプリッタで偏光分離するかは、図示したとおりでなくても良い。
【０１０６】
受光部３２は、受光素子３２１H，３２１V，３２１L，３２１R，３２１+，３２１-を有している。受光素子３２１Hは、偏光ビームスプリッタ３１２で偏光分離された一方の光パルスの検出を行い、受光素子３２１Vは、偏光ビームスプリッタ３１２で偏光分離された他方の光パルスの検出を行う。同様に、受光素子３２１Lは、偏光ビームスプリッタ３１５で偏光分離された一方の光パルスの検出を行い、受光素子３２１Rは、偏光ビームスプリッタ３１５で偏光分離された他方の光パルスの検出を行う。さらに、受光素子３２１+は、偏光ビームスプリッタ３１６で偏光分離された一方の光パルスの検出を行い、受光素子３２１-は、偏光ビームスプリッタ３１６で偏光分離された他方の光パルスの検出を行う。
【０１０７】
＜４−２．第３の実施の形態の動作＞
［量子通信動作］
６状態プロトコルの量子通信においては、送信側通信装置２０は次の動作を行う。
【０１０８】
制御部２６は、光源部２１の半導体発光素子２１１をパルス電流により駆動し、光パルスを発生させる。その際、１パルス当たりの光子数は１以下にすることが望ましい（半導体発光素子２１１からの光パルスの強度が強い場合、図には示していないが、ＮＤフィルタなどの減光手段を用いることにより、１パルス当たりの光子数を１以下にすることができる）。
【０１０９】
光源部２１で発生された光パルスは、偏光変調部２２の液晶リターダ２２１に入射する。なお、偏光子２２５が設けられている場合は、偏光子２２５を介して液晶リターダ２２１に入射する。
【０１１０】
液晶リターダ２２１は、光パルスの到来するタイミングに合わせて、ＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差φが、０度、９０度、１８０度、２７０度のいずれかになるように、制御部２６によってランダムに制御される。
【０１１１】
液晶リターダ２２１を通過した光パルスの偏光状態は、位相差φが０度の場合は入射した際の直線偏光のままであり、１８０度の場合は入射した直線偏光に直交する直線偏光に変化し、９０度，２７０度の場合は互いに向きが異なる円偏光に変化する。なお、９０度，２７０度の場合が、左円偏光と右円偏光となるか、右円偏光と左円偏光となるかは、配置する液晶リターダの光学軸（ＳＬＯＷ軸、ＦＡＳＴ軸）の向きによって決まる。液晶リターダ２２１を通過した光パルスは、液晶リターダ２２３に入射される。
【０１１２】
液晶リターダ２２３は液晶リターダ２２１の光学軸に対して４５度傾けておかれており、液晶リターダ２２３のＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差θが、０度、９０度のいずれかになるように、制御部２６によってランダムに制御される。
【０１１３】
液晶リターダ２２３を通過した光パルスの偏光状態は、液晶リターダ２２３の位相差θが０度の場合は変化することがない。また、液晶リターダ２２３の位相差θが９０度の場合は、入射した光パルスが、直線偏光の場合は直線偏光のまま、円偏光の場合は、その直線偏光とは４５度傾いた直線偏光に変化する。
【０１１４】
図８は、液晶リターダ２２１，２２３による偏光の変調を示している。図８に示すｘ方向の直線偏光を垂直偏光する。また、液晶リターダ２２１のＦＡＳＴ軸を、ｘ方向の軸に対して４５度傾いた位置とする。さらに、液晶リターダ２２３は、液晶リターダ２２１の光学軸に対して４５度傾いた位置とする。なお、液晶リターダ２２１，２２３のＦＡＳＴ軸を「Ｆ」、ＳＬＯＷ軸を「Ｓ」として示している。
【０１１５】
この場合、液晶リターダ２２１のＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差φを０度とすると、液晶リターダ２２１を通過した光パルスは垂直偏光となる。また、位相差φを９０度とした場合は左円偏光、位相差φを１８０度とした場合は水平偏光、位相差φを２７０度とした場合は右円偏光となる。
【０１１６】
ここで、直線偏光の偏光方向を表す角度は垂直（ｘ軸方向）が０度で、そこからｙ軸方向へ回転する方向を正とした。液晶リターダ２２３を通過した後では、液晶リターダ２の位相差θが０度の場合、偏光状態が変化しない。したがって、液晶リターダ２２１の位相差φが０度であった場合は垂直偏光、９０度の場合は左円偏光、１８０度の場合は水平偏光、２７０度の場合は右円偏光となる。
【０１１７】
また、液晶リターダ２２３の位相差θが９０度の場合は、液晶リターダ２２１の位相差φが０度であった場合は、垂直偏光、９０度の場合＋４５度傾いた直線偏光、１８０度の場合水平偏光、２７０度の場合−４５度傾いた直線偏光となる。なお、表３は、液晶リターダ２２１の位相差φと液晶リターダ２２３の位相差θと偏光変調後の偏光状態の関係を示している。
【０１１８】
【表３】
0005682212.tif 000004
【０１１９】
このように、制御部２６によって偏光状態が６つの偏光状態のいずれかにランダムに制御された光パルスが送信側通信装置２０から出力される。
【０１２０】
受信側通信装置３０は、送信側通信装置２０から出射された光パルスを、光学部３１の無偏光ビームスプリッタ３１０で分割する。無偏光ビームスプリッタ３１０で分割された光パルスの一方は、無偏光ビームスプリッタ３１１に入射されてさらに分割される。無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された光パルスの一方は、偏光ビームスプリッタ３１２に入射されて、その偏光成分によって分割され、受光素子３２１Hまたは受光素子３２１Vに入射される。
【０１２１】
無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された光パルスの他方は、１／４波長板３１３を通過して、偏光状態を変化させられた後、偏光ビームスプリッタ３１５によって分割される。分割された光パルスは、偏光ビームスプリッタ３１５に入射されて、その偏光成分によって分割され、受光素子３２１Lまたは受光素子３２１Rに入射される。
【０１２２】
無偏光ビームスプリッタ３１０で分割された光パルスの他方は、４５度傾いた方向の二つの直線偏光に分離する偏光ビームスプリッタ３１６に入射されて、その偏光成分によって分割され、受光素子３２１+または受光素子３２１-に入射される。
【０１２３】
説明の都合上、上の記述において、「光パルスが分割される」と表現したが、実際には一つの光パルスをすべての受光素子が検出することはない。なぜなら、光パルスの強度は、１パルス当たりの光子数を１以下となるように設定されているので、６つの受光素子のうち、どれか一つが光子を検出し、それが電気信号に変換されるからである。
【０１２４】
偏光状態毎の受光素子の光パルス検出確率は、第１の実施の形態や第２の実施の形態と同様に考えると表４となる。なお、表４は、１パルス当たりの光子数が「１」、無偏光ビームスプリッタ３１０の分割比率がｐ：（１−ｐ）（ただし０＜ｐ＜１）、無偏光ビームスプリッタ３１１の分割比率がｑ：（１−ｑ）（ただし０＜ｑ＜１）である。また、表４は、光損失や盗聴がない理想的な場合の値を示している。
【０１２５】
【表４】
0005682212.tif 000005
【０１２６】
垂直偏光Ｖまたは水平偏光Ｈの光パルスが、受光素子３２１Hまたは受光素子３２１Vの方に、無偏光ビームスプリッタ３１１で振り向けられる場合、その確率は「ｐｑ」であり、これらは対応する受光素子によってそれぞれ検出される。すなわち、光パルスが垂直偏光Ｖである場合、受光素子３２１Vで検出される確率は「ｐｑ」となり、受光素子３２１Hで検出される確率は「０」となる。また、光パルスが水平偏光Ｈである場合、受光素子３２１Vで検出される確率は「０」となり、受光素子３２１Hで検出される確率は「ｐｑ」となる。
【０１２７】
また、垂直偏光Ｖあるいは水平偏光Ｈの光パルスが、受光素子３２１Lまたは受光素子３２１Rの方に、無偏光ビームスプリッタ３１１において、振り向けられる場合、その確率は「ｐ（１−ｑ）」である。また、光パルスはいずれも等しい確率「０．５」で受光素子によって検出されるから、受光素子３２１L，３２１Rで検出される確率は、光パルスが垂直偏光Ｖあるいは水平偏光Ｈのいずれであっても「０．５ｐ（１−ｑ）」の確率となる。
【０１２８】
また、垂直偏光Ｖあるいは水平偏光Ｈの光パルスが、受光素子３２１+または受光素子３２１-の方に、無偏光ビームスプリッタ３１０において、振り向けられる場合、その確率は「１−ｐ」である。また、光パルスはいずれも等しい確率「０．５」で受光素子によって検出されるから、受光素子３２１+，３２１-で検出される確率は、光パルスが垂直偏光Ｖあるいは水平偏光Ｈのいずれであっても「０．５（１−ｐ）」の確率となる。
【０１２９】
同様に、光パルスが左円偏光Ｌの場合、光パルスが受光素子３２１Lで検出される確率は「ｐ（１−ｑ）」、受光素子３２１Rで検出される確率は「０」となる。また、光パルスが右円偏光Ｒの場合、光パルスが受光素子３２１Lで検出される確率は「０」、受光素子３２１Rで検出される確率は「ｐ（１−ｑ）」となる。さらに、光パルスが受光素子３２１V，３２１Hで検出される確率は、光パルスが左円偏光Ｌあるいは右円偏光Ｒのいずれであっても「０．５ｐｑ」の確率となる。したがって、光パルスが受光素子３２１+，３２１-で検出される確率は、光パルスが左円偏光Ｌあるいは右円偏光Ｒのいずれであっても「０．５（１−ｐ）」の確率となる。
【０１３０】
さらに、光パルスが直線偏光＋の場合、光パルスが受光素子３２１+で検出される確率は「１−ｐ」、受光素子３２１-で検出される確率は「０」となる。また、光パルスが直線偏光−の場合、光パルスが受光素子３２１+で検出される確率は「０」、受光素子３２１-で検出される確率は「１−ｐ」となる。さらに、光パルスが受光素子３２１V，３２１Hで検出される確率は、光パルスが直線偏光＋あるいは直線偏光−のいずれであっても「０．５ｐｑ」の確率となる。したがって、光パルスが受光素子３２１L，３２１Rで検出される確率は、光パルスが直線偏光＋あるいは直線偏光−のいずれであっても「０．５ｐ（１−ｑ）」の確率となる。６状態プロトコルにおける、量子通信を行う部分は、以上の動作を繰り返し行う。
【０１３１】
［古典通信動作］
次に、６状態における量子通信の後に、古典通信が実行される。送信側通信装置２０と受信側通信装置３０は公開通信路（すなわち、通信内容は暗号化されておらず、盗聴者も通信内容をすべて知ることができる）を用いて、以下のプロトコルを実行する。
【０１３２】
（１）基底交換
受信側通信装置３０は、公開通信路例えば古典通信路５５を介して送信側通信装置２０と通信を行い、量子通信の受信結果のうち、直線偏光（垂直偏光Ｖまたは水平偏光Ｈ）、４５度傾いた直線偏光（＋４５度直線偏光＋または−４５度直線偏光−）および円偏光（左円偏光Ｌまたは右円偏光Ｒ）のいずれを検出したのかという情報だけを制御部３６から通信部３５と送信側通信装置２０の通信部２５を介して制御部２６に送信する。例えば、垂直偏光Ｖを検出した場合は、「垂直偏光Ｖを検出した」という情報を送信するのではなく、「直線偏光を検出した」という情報だけを送信する。送信側通信装置２０の制御部２６は、受信結果においていずれの時刻の受信結果が正しいか検出して検出結果を受信側通信装置３０の制御部３６に通知する。受信側通信装置３０の制御部３６は、通知された検出結果に基づき正しいデータのみを選択する。すなわち、送信側通信装置２０が直線偏光（ＶまたはＨ）の光パルスを送り、受信側通信装置３０が円偏光（ＬまたはＲ）または４５度傾いた直線偏光（＋または−）を検出した場合は、共有秘密情報を生成することができないので、これらのデータは捨てる。また、送信側通信装置２０が円偏光（ＬまたはＲ）の光パルスを送り、受信側通信装置３０が直線偏光（ＶまたはＨ）または４５度傾いた直線偏光（＋または−）を検出した場合も、共有秘密情報を生成することができないので、これらのデータは捨てる。さらに、送信側通信装置２０が４５度傾いた直線偏光（＋または−）の光パルスを送り、受信側通信装置３０が直線偏光（ＶまたはＨ）または円偏光（ＬまたはＲ）を検出した場合も共有秘密情報を生成することができないので、これらのデータは捨てる。
【０１３３】
また、残ったデータから、例えば、直線偏光の場合、垂直偏光Ｖを「０」、水平偏光Ｈを「１」とし、円偏光の場合、左円偏光Ｌを「０」、右円偏光Ｒを「１」とし、４５度傾いた直線偏光の場合、＋４５度直線偏光＋を「０」、−４５度直線偏光−を「１」とする。このようにすれば、送信側通信装置と受信側通信装置で相関のあるランダムなビット列を共有できる。このランダムなビット列を元にして、送信側通信装置２０と受信側通信装置３０で共通鍵を生成する。
【０１３４】
また、逆に送信側通信装置２０が直線偏光、４５度傾いた直線偏光、円偏光の何れで送信したのかという情報だけを制御部２６から通信部２５と送信側通信装置３０の通信部３５を介して制御部３６に送信し、受信側通信装置３０の制御部３６は、通知された基底に基づき正しいデータのみを選択することにしても良い。
【０１３５】
（２）エラーレートの見積り
基底交換で得られたビット列の中から、送信側通信装置２０が直線偏光（ＶまたはＨ）の光パルスを送り、受信側通信装置３０が直線偏光（ＶまたはＨ）を検出した場合と、送信側通信装置２０が円偏光（ＬまたはＲ）の光パルスを送り、受信側通信装置３０が円偏光（ＬまたはＲ）を検出した場合と、送信側通信装置２０が４５度傾いた直線偏光（＋または−）の光パルスを送り、受信側通信装置３０が４５度傾いた直線偏光（＋または−）を検出した場合とから、それぞれ、半分程度のデータをランダムに選び出し、送信側通信装置２０と受信側通信装置３０でその値を照合し、エラーレートを見積もる。この際に用いたデータは捨てる。
【０１３６】
（３）エラー訂正
エラー訂正では、エラーレートの見積りに用いたデータが除かれたビット列に対して、第１の実施の形態等と同様にエラー訂正を行う。
【０１３７】
（４）プライバシー増幅
プライバシー増幅では、エラー訂正後のビット列に対して、見積もったエラーレートに応じてプライバシー増幅を、第１の実施の形態等と同様に行う。ここで、エラーレートが大きく、ビット列の長さが０になってしまう場合は、鍵配布は失敗したことになる。また、エラーレートが小さくて（例えば６状態プロトコルの場合は約１２．６％以下なら）１より長いビット列が得られる。得られたビット列は、共通鍵として、送信側通信装置２０の鍵メモリ２３および受信側通信装置３０の鍵メモリ３３に保存される。
【０１３８】
このように、第３の実施の形態では、液晶リターダ２２１の出射面側に、液晶リターダ２２１の光学軸に対して光学軸を４５度傾けた液晶リターダ２２３が設けられている。したがって、液晶リターダ２２１，２２３による位相差を可変させることで、コリメートされた光パルスの偏光状態を６種類の偏光状態のいずれかに変換することができる。このため、６状態方式のプロトコルを用いる場合でも、小型化が容易であり携帯用の電子機器等に搭載することができるようになる。
【０１３９】
＜５．第４の実施の形態＞
量子暗号通信では、例えば特許文献２に示されているように、強度変調された光パルスを送信することにより、量子鍵配布の暗号的な強度をより強めることができるデコイ法が用いられている。したがって、第４の実施の形態では、２種類の直線偏光と２種類の円偏光の合わせて４種類の偏光状態を用いたＢＢ８４プロトコルにデコイ法を用いて量子鍵配布を実行する場合について説明する。  
＜５−１．第４の実施の形態の構成＞
図９は、第４の実施の形態の構成を示している。なお、図９では、図１に示す光源部２１と偏光変調部２２および光学部３１と受光部３２の構成を示している。
【０１４０】
送信側通信装置２０の光源部２１は、レーザダイオードやＬＥＤなどの半導体発光素子２１１と、その半導体発光素子２１１から出射された光パルスをコリメートするレンズ２１２を用いて構成されている。
【０１４１】
偏光変調部２２は、コリメートされた光パルスの偏光状態を、４種類の偏光状態のいずれかに変換する液晶リターダ２２１を有している。液晶リターダ２２１は、後述する強度変調部２２４の偏光子２２４ｂの偏光軸に対して、光学軸を４５度傾けて設けられる。液晶リターダ２２１は、制御部２６からの制御信号に応じて、そのＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差を変化させる。
【０１４２】
液晶リターダ２２１の入射面側には、光パルスの強度変調を行う強度変調部２２４が設けられている。強度変調部２２４は、液晶リターダ２２４ａと偏光子２２４ｂを用いて構成されている。液晶リターダ２２４ａは、入射する光パルスの直線偏光の向きに対して、液晶リターダ２２４ａの光学軸を４５度傾けて設置される。偏光子２２４ｂの偏光軸は、光源部２１から出射した光が直線偏光の場合は、その偏光方向に直交する方向に設定されている。
【０１４３】
液晶リターダ２２４ａは、制御部２６からの制御信号に応じて、そのＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差を変化させる。このように、位相差を変化させることで偏光子２２４ｂを介して出力される光パルスの強度を調整する。
【０１４４】
なお、第４の実施の形態では、強度変調部２２４を液晶リターダ２２４ａと偏光子２２４ｂからなる光学系により実現したが、半導体発光素子２１１を駆動する電流値を変調することにより強度変調してもよい。また、非線形光学結晶を用いた光強度変調器等を用いることも可能である。
【０１４５】
また、偏光変調部２２は、光源部２１から出射された光が直線偏光でない場合、または、直線偏光でも偏光方向を液晶リターダ２２４ａの光学軸に対して精密に制御することが難しい場合、液晶リターダ２２４ａにおける光パルスの入射面側に偏光子２２５を設ける。例えば、強度変調部２２４における光パルスの入射面側に偏光子２２５を設けて、偏光子２２５の位置を、液晶リターダ２２４ａの光学軸が直線偏光に対して４５度傾くように設定して、液晶リターダ２２１と強度変調部２２４および偏光子２２５を一体化する。このように偏光変調部２２を構成すれば、光源部２１に対して偏光変調部２２の位置を精密に制御しなくとも、偏光方向と液晶リターダ２２４ａ等の光学軸を所望の角度とすることができる。
【０１４６】
受信側通信装置３０の光学部３１は、無偏光ビームスプリッタ３１１、偏光ビームスプリッタ３１２，３１５、１／４波長板３１３を有している。無偏光ビームスプリッタ３１１は、送信側通信装置２０から出射された光パルスの偏光状態を変化させることなく分割する。偏光ビームスプリッタ３１２は、無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された光パルスの一方を偏光分離する。１／４波長板３１３は、無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された他方の光パルスの偏光状態を、直線偏光の場合は円偏光に、円偏光の場合は直線偏光に変換する。偏光ビームスプリッタ３１５は、１／４波長板３１３により偏光状態が変更された光パルスを偏光分離する。
【０１４７】
受光部３２は、受光素子３２１H，３２１V，３２１R，３２１Lを有している。受光素子３２１Hは、偏光ビームスプリッタ３１２で偏光分離された一方の光パルスの検出を行い、受光素子３２１Vは、偏光ビームスプリッタ３１２で偏光分離された他方の光パルスの検出を行う。同様に、受光素子３２１Rは、偏光ビームスプリッタ３１５で偏光分離された一方の光パルスの検出を行い、受光素子３２１Lは、偏光ビームスプリッタ３１５で偏光分離された他方の光パルスの検出を行う。
【０１４８】
＜５−２．第４の実施の形態の動作＞
［量子通信動作］
デコイ法を組み合わせたＢＢ８４プロトコルの量子通信においては、送信側通信装置２０は次の動作を行う。
【０１４９】
制御部２６は、光源部２１の半導体発光素子２１１をパルス電流により駆動し、光パルスを発生させる。光源部２１で発生された光パルスは、偏光変調部２２の強度変調部２２４に入射する。なお、偏光子２２５が設けられている場合は、偏光子２２５を介して強度変調部２２４に入射する。
【０１５０】
強度変調部２２４の液晶リターダ２２４ａは、光パルスの到来するタイミングに合わせて、ＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差αが、複数の予め定めた値の中の一つの値にランダムに制御される。
【０１５１】
液晶リターダ２２４ａを通過した光パルスは偏光子２２４ｂに入射する。位相差αが０度の場合は、液晶リターダ２２４ａは、入射した光パルスの偏光に影響をおよぼすことはないので、液晶リターダ２２４ａから出射した光パルスの偏光状態は入射したときの直線偏光のまま、偏光子２２４ｂに入射する。
【０１５２】
偏光子２２４ｂの偏光軸は、光源部２１から出射した光が直線偏光の場合は、その偏光方向に直交する方向、偏光子２２５が設けられている場合は、偏光子２２５の偏光軸に直行するように設定されている。したがって、液晶リターダ２２４ａにおける位相差αが０度の場合は、光パルスは偏光子２２４ｂを通過することができず、光パルスの強度は０となる。
【０１５３】
位相差αが０度でない場合は、液晶リターダ２２４ａは、入射した光パルスの偏光に影響をおよぼし、液晶リターダ２２４ａから出射した光パルスの偏光状態は、一般的には、楕円偏光となり、偏光子２２４ｂに入射する。
【０１５４】
偏光子２２４ｂに入射した光パルスは、直線偏光になって出射するが、そのとき出射した光パルスの強度は、入射する際の楕円偏光の偏光状態、つまりは位相差αに依存して変化する。例えば位相差αが９０度であれば、液晶リターダ３を通過した光パルスは円偏光になっており、これが偏光子２２４ｂを通過すると光パルスの強度は、元の強度の１／２となる。
【０１５５】
例えば位相差αが１８０度であれば、液晶リターダ３を通過した光パルスは入射した直線偏光に直交する方向に偏光した直線偏光になっており、これは偏光子２２４ｂをそのまま通過するので光パルスの強度は変化しない。
【０１５６】
すなわち、液晶リターダ２２４ａと偏光子２２４ｂを組み合わせた光学系からなる強度変調部２２４は、液晶リターダ２２４ａのＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差をαとする場合、［ｓｉｎ（α／２）］＾２倍に、入射した光パルスの強度を変化させる。
【０１５７】
位相差αにおける複数の予め定めた値は、強度変調部２２４を通過後の光パルス一つに含まれる光子数の平均値が、例えば、０個、１個、１０個となるように定めれば良い。強度変調部２２４を通過した光パルスは、液晶リターダ２２１に入射する。液晶リターダ２２１は第１の実施の形態と同様な動作を行い、制御部２６によって偏光状態が４つの偏光状態のいずれかにランダムに制御された光パルスを送信側通信装置２０から出力させる。
【０１５８】
受信側通信装置３０は、第１の実施の形態と同様な動作を行う。
【０１５９】
［古典通信動作］
次に、デコイ法を組み合わせたＢＢ８４プロトコルにおける量子通信の後に、古典通信が実行される。送信側通信装置２０と受信側通信装置３０は公開通信路を用いて、第１の実施の形態と同様に（１）基底交換や（３）エラー訂正および（４）プライバシー増幅を行う。また、（２）エラーレートの見積りは、以下のように行う。
（２）エラーレートの見積り
基底交換で得られたビット列の中から、送信側通信装置２０が直線偏光（ＶまたはＨ）の光パルスを送り、受信側通信装置３０が直線偏光（ＶまたはＨ）を検出した場合と、送信側通信装置２０が円偏光（ＬまたはＲ）の光パルスを送り、受信側通信装置３０が円偏光（ＬまたはＲ）を検出した場合とから、それぞれ、半分程度のデータをランダムに選び出し、送信側通信装置２０と受信側通信装置３０でその値を照合し、エラーレートを見積もる。
【０１６０】
このとき、送信側通信装置２０の強度変調部２２４により、異なる強度に変調された光パルス毎に、それぞれのエラーレートを見積もる。例えば、光パルス一つに含まれる光子数の平均値が、０個、１個、１０個となるようにした場合は、光子数の平均値が０個のパルスにおけるエラーレート、１個の場合のエラーレート、１０個の場合のエラーレートをそれぞれ見積もる。この際に用いたデータは捨てる。このエラーレートは（４）のプライバシー増幅に必要なパラメータである。
【０１６１】
エラーレートは、含まれる平均光子数が異なる光パルスそれぞれに関して見積もっているから、エラーがすべて盗聴によって生じると仮定した場合の、盗聴者に漏れた相互情報量を、第１の実施の形態の場合より厳しめに見積もることができる。したがって、他の条件が同じであれば、第１の実施の形態よりも、より多くの共通鍵を生成することができる。
【０１６２】
なお、第４の実施の形態では、４種類の直線偏光の偏光状態を用いたＢＢ８４プロトコルや、４種類の直線偏光と２種類の円偏光の偏光状態を用いた６状態プロトコルに、デコイ法を組み合わせてもよい。
【０１６３】
このように、第４の実施の形態では、液晶リターダ２２１の入射面側に、液晶リターダ２２４ａと偏光子２２４ｂで構成された強度変調部２２４が設けられる。したがって、液晶リターダ２２４ａを制御して光パルスの強度の切り替えを行い、液晶リターダ２２１を制御して偏光状態の切り替えを行うことにより、量子鍵配布の暗号的な強度をより強めることができる。すなわち、デコイ法を用いる場合でも小型化が容易であり携帯用の電子機器等に搭載することができるようになる。
【０１６４】
＜６．第５の実施の形態＞
上述の第１〜第４の実施の形態では、自由空間を量子通信路５１として用いて量子暗号通信を行う場合に説明した。このように、自由空間を量子通信路５１として用いる場合、送信側通信装置２０から出射された光パルスを、受信側通信装置３０で正しく受光できるように位置合わせが必要となる。しかし、量子通信路として光ファイバを用いれば、送信側通信装置２０と受信側通信装置３０の位置合わせが不要となり、量子暗号通信を容易に行うことができる。第５の実施の形態では、量子通信路として光ファイバ５２を用いる場合について説明する。
【０１６５】
なお、第５の実施の形態では、２種類の直線偏光と２種類の円偏光の合わせて４種類の偏光状態を用いたＢＢ８４プロトコルにデコイ法を用いて量子鍵配布を行う場合について説明する。  
＜６−１．第５の実施の形態の構成＞
図１０は、第５の実施の形態の構成を示している。なお、図１０では、図１に示す光源部２１と偏光変調部２２および光学部３１と受光部３２の構成等を示している。
【０１６６】
送信側通信装置２０の光源部２１は、レーザダイオードやＬＥＤなどの半導体発光素子２１１と、その半導体発光素子２１１から出射された光パルスをコリメートするレンズ２１２を用いて構成されている。
【０１６７】
偏光変調部２２は、コリメートされた光パルスの偏光状態を、４種類の偏光状態のいずれかに変換する液晶リターダ２２１を有している。液晶リターダ２２１は、後述する強度変調部２２４の偏光子２２４ｂの偏光軸に対して、光学軸を４５度傾けて設けられる。液晶リターダ２２１は、制御部２６により制御され、制御部２６によって印加される電圧に応じて、そのＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差を変化させる。
【０１６８】
液晶リターダ２２１の入射面側には、光パルスの強度変調を行う強度変調部２２４が設けられている。強度変調部２２４は、液晶リターダ２２４ａと偏光子２２４ｂを用いて構成されている。液晶リターダ２２４ａは、入射する光パルスの直線偏光の向きに対して、液晶リターダ２２４ａの光学軸を４５度傾けて設置される。偏光子２２４ｂの偏光軸は、光源部２１から出射した光が直線偏光の場合は、その偏光方向に直交する方向に設定されている。
【０１６９】
液晶リターダ２２４ａは、制御部２６からの制御信号に応じて、そのＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差を変化させる。このように、位相差を変化させることで偏光子２２４ｂを介して出力される光パルスの強度を調整する。
【０１７０】
液晶リターダ２２１から出射された光パルスは、レンズ２２６によって集光されて、光ファイバコネクタ２７に接続された光ファイバ５２に入射される。
【０１７１】
なお、第５の実施の形態では、強度変調部２２４を液晶リターダ２２４ａと偏光子２２４ｂからなる光学系により実現したが、半導体発光素子２１１を駆動する電流値を変調することにより強度変調してもよい。また、非線形光学結晶を用いた光強度変調器等を用いることも可能である。
【０１７２】
また、偏光変調部２２は、光源部２１から出射された光が直線偏光でない場合、または、直線偏光でも偏光方向を液晶リターダ２２４ａの光学軸に対して精密に制御することが難しい場合、液晶リターダ２２４ａにおける光パルスの入射面側に偏光子２２５を設ける。例えば、強度変調部２２４における光パルスの入射面側に偏光子２２５を設けて、偏光子２２５の位置を、液晶リターダ２２４ａの光学軸が直線偏光に対して４５度傾くように設定して、液晶リターダ２２１と強度変調部２２４および偏光子２２５を一体化する。このように偏光変調部２２を構成すれば、光源部２１に対して偏光変調部２２の位置を精密に制御しなくとも、偏光方向と液晶リターダ２２４ａ等の光学軸を所望の角度とすることができる。
【０１７３】
受信側通信装置３０の光学部３１は、無偏光ビームスプリッタ３１１、偏光ビームスプリッタ３１２，３１５、１／４波長板３１３を有している。また、受信側通信装置３０には、自動偏波制御部３７、レンズ３１９が設けられている。
【０１７４】
無偏光ビームスプリッタ３１１は、送信側通信装置２０から出射された光パルスの偏光状態を変化させることなく分割する。偏光ビームスプリッタ３１２は、無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された光パルスの一方を偏光分離する。１／４波長板３１３は、無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された他方の光パルスの偏光状態を、直線偏光の場合は円偏光に、円偏光の場合は直線偏光に変換する。偏光ビームスプリッタ３１５は、１／４波長板３１３により偏光状態が変更された光パルスを偏光分離する。
【０１７５】
受光部３２は、受光素子３２１H，３２１V，３２１R，３２１Lを有している。受光素子３２１Hは、偏光ビームスプリッタ３１２で偏光分離された一方の光パルスの検出を行い、受光素子３２１Vは、偏光ビームスプリッタ３１２で偏光分離された他方の光パルスの検出を行う。同様に、受光素子３２１Rは、偏光ビームスプリッタ３１５で偏光分離された一方の光パルスの検出を行い、受光素子３２１Lは、偏光ビームスプリッタ３１５で偏光分離された他方の光パルスの検出を行う。
【０１７６】
自動偏波制御部３７は、光ファイバ５２を通して送られてきた光パルスの偏光状態を修正する。レンズ３１９は、自動偏波制御部３７を通過し光ファイバ５２から出射した光パルスをコリメートして、無偏光ビームスプリッタ３１１に入射させる。
【０１７７】
なお、第５の実施の形態では、自動偏波制御部３７を通過した後、光パルスを光ファイバ５２から自由空間に取り出す光学系を示している。しかし、光学系は、無偏光ビームスプリッタや偏光ビームスプリッタなどを、光ファイバ素子により構成して、光パルスを自由空間に取り出さずに光ファイバで分離する構成も可能である。
【０１７８】
＜６−２．第５の実施の形態の動作＞
［量子通信動作］
制御部２６は、光源部２１の半導体発光素子２１１をパルス電流により駆動し、光パルスを発生させる。光源部２１で発生された光パルスは、偏光変調部２２の強度変調部２２４に入射する。なお、偏光子２２５が設けられている場合は、偏光子２２５を介して強度変調部２２４に入射する。
【０１７９】
強度変調部２２４の液晶リターダ２２４ａは、光パルスの到来するタイミングに合わせて、ＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差αが、複数の予め定めた値の中の一つの値にランダムに制御される。偏光子２２４ｂの偏光軸は、光源部２１から出射した光が直線偏光の場合は、その偏光方向に直交する方向、偏光子２２５が設けられている場合は、偏光子２２５の偏光軸に直行するように設定されている。したがって、制御部２６によって液晶リターダ２２４ａにおける位相差αを複数の予め定めた値に制御することで、強度変調部２２４を通過後の光パルスは、強度変調がなされた光パルとなる。強度変調部２２４を通過した光パルスは、液晶リターダ２２１に入射する。液晶リターダ２２１は第１の実施の形態と同様な動作を行い、制御部２６によって偏光状態が４つの偏光状態のいずれかにランダムに制御された光パルスをレンズ２２６に出射する。
【０１８０】
レンズ２２６は、液晶リターダ２２１から出射した光パルスを集光して、光ファイバコネクタ２７に接続されている光ファイバ５２に入射させる。
【０１８１】
受信側通信装置３０は、レンズ３１９でコリメートされた光パルスを、光学部３１の無偏光ビームスプリッタ３１１で分割する。無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された光パルスの一方は、偏光ビームスプリッタ３１２に入射されて、その偏光成分によって分割され、受光素子３２１Hまたは受光素子３２１Vに入射される。
【０１８２】
無偏光ビームスプリッタ３１１で分割された光パルスの他方は、１／４波長板３１３を通過して、偏光状態が変化させられた後、偏光ビームスプリッタ３１５に入射されて、その偏光成分によって分割され、受光素子３２１Rまたは受光素子３２１Lに入射される。以上の動作を繰り返し行い、受光素子３２１V，３２１H，３２１L，３２１Rでの受光結果を制御部３６に出力する。
【０１８３】
また、送信側通信装置２０と受信側通信装置３０は、量子暗号通信を行う前に、光ファイバ５２を光パルスが伝搬する途中で不可避的に生じる偏光状態の変化を打ち消すことができるように自動偏波制御部３７の動作の設定を行う。例えば、予め定められたタイミングにおいて、送信側通信装置２０が予め定められた偏光状態の光パルスを送信し、受信側通信装置３０がその光パルスを受光素子で検出する。制御部３６は、受光素子における検出結果に基づいて、予め定められた偏光状態の光パルスが所定の受光素子で検出されるように、自動偏波制御部３７を制御する。すなわち、自動偏波制御部３７は、光パルスの伝搬途中で生じた偏光状態の変化を打ち消す。
【０１８４】
［古典通信動作］
この後、デコイ法を組み合わせたＢＢ８４プロトコルにおける、古典通信を行う部分が実行される。送信側通信装置２０と受信側通信装置３０は公開通信路を用いて、第４の実施の形態と同様に（１）基底交換や（２）エラーレートの見積り、（３）エラー訂正、（４）プライバシー増幅を行う。
【０１８５】
なお、第５の実施の形態では、４種類の直線偏光の偏光状態を用いたＢＢ８４プロトコルや、４種類の直線偏光と２種類の円偏光の偏光状態を用いた６状態プロトコルに、デコイ法を組み合わせてもよい。
【０１８６】
このように、第５の実施の形態では、液晶リターダ２２１や強度変調部２２４等で偏光変調部２２が構成されており、偏光変調部２２から出射された光パルスがレンズ２２６によって光ファイバ５２に入射される構成となっている。このように、量子通信路として光ファイバを用いる場合でも、量子暗号通信装置やシステムの小型化ができるので携帯機器に搭載することが可能である。また、量子通信路に光ファイバ５２を用いることで、送信側通信装置と受信側通信装置の位置合わせが不要となり、量子暗号通信を容易に行うことができるようになる。
【０１８７】
＜７．電子機器に適用した状態＞
次に、図１１〜図１３を参照しながら、量子暗号通信装置を電子機器に適用した場合について説明する。図１１は、携帯電話への適用例を示している。
【０１８８】
携帯電話へ適用する場合、半導体発光素子２１１、レンズ２１２、液晶リターダ２２１が搭載される。半導体発光素子２１１から出射された光パルスは、レンズ２１２によって、液晶リターダ２２１に入射するように収束される。そして、液晶リターダ２２１は、入射した光パルスの偏光変調を行い携帯電話の外部に出射する。
【０１８９】
このように、量子暗号通信装置では、液晶リターダを用いて偏光変調を行う構成とされている。したがって、量子暗号通信装置の小型化が可能であり、図に示すように、携帯電話に量子暗号通信装置を内蔵することができる。
【０１９０】
図１２、図１３は、ノート型コンピュータへの適用例を示している。ノート型コンピュータへ適用する場合、例えば、図１２に示すような配置で、半導体発光素子２１１、レンズ２１２、液晶リターダ２２１、光学部３１，３２、フィルタ４１，光ファイバコネクタ４２が搭載される。これらノート型コンピュータに搭載される部品の構成は図１３のようになる。半導体発光素子２１１から出射された光パルスは、レンズ２１２によって、液晶リターダ２２１に入射するように収束される。そして、液晶リターダ２２１は、入射した光パルスの偏光変調を行い、偏光変調後の光パルスをフィルタ４１に入射する。
【０１９１】
フィルタ４１は、光源装置１から出力された光パルスを光ファイバコネクタ４２に導光し、一方で、光ファイバコネクタ４２を通じて外部から入射した光パルスを光学部３１に導光する光分離器の役割を果たすものである。そのため、偏光変調後の光パルスは、フィルタ４１を通じて光ファイバコネクタ４２に入射する。光ファイバコネクタ４２に入射した光パルスは、光ファイバコネクタ４２に接続された光ケーブルを通じて外部に取り出される。一方、光ファイバコネクタ４２に接続された光ケーブルを通じて外部から入射した光パルスは、フィルタ４１を通じて光学部３１に入射する。光学部３１は、入射した光パルスを受光する。光学部３１は、受光した光パルスを偏光毎に分離して例えばフォトダイオード等の半導体受光素子を用いて構成された受光部３２に出力する。
【０１９２】
なお、ここでは一本の光ケーブルで双方向に通信する状況を想定した。通常、光ケーブルによる双方向通信において、送信に用いる光パルスの波長と受信に用いる光パルスの波長は異なる。そのため、上記のようにフィルタ４１を利用して波長の異なる光パルスを分離することができる。もちろん、ノート型コンピュータに搭載する通信機能の種類や形態に応じて、フィルタ４１、光ファイバコネクタ４２、光学部３１、受光部３２の構成を適宜変形してもよい。また、レンズ２１２を光源装置に組み込んでしまう等、一部設計を変更することも許容される。
【０１９３】
この場合にも、量子暗号通信装置では、液晶リターダを用いて偏光変調を行う構成とされていることから小型化が可能であり、図に示すように、ノート型コンピュータに量子暗号通信装置を内蔵することができる。また、ノート型コンピュータは、携帯電話よりもサイズが大きいことから、量子暗号通信における送信機能だけでなく受信機能も容易に設けることができる。例えば、図に示すように光学フィルタを設けて、偏光変調された光パルスは、光コネクタソケット側に通過させて、光コネクタソケット側からの光パルスは、光学部３１側に反射させる。このような構成とすれば、ノート型コンピュータに量子暗号通信の送信機能と受信機能を設けることができる。
【０１９４】
なお、本発明は、上述した発明の実施の形態に限定して解釈されるべきではない。この発明の実施の形態は、例示という形態で本発明を開示しており、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が実施の形態の修正や代用をなし得ることは自明である。すなわち、本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【産業上の利用可能性】
【０１９５】
この発明の量子暗号通信装置と量子暗号通信方法および量子暗号通信システムでは、光源部で発生された光パルスの偏光状態が可変波長板、例えば液晶リターダによって、予め設定した複数の偏光基底のいずれかにランダムに切り替えられる。したがって、簡単な構成で偏光変調が行われた光パルスを送信側から受信側に出射できるので暗号化通信装置を小型化できるため、携帯用電子機器、例えば携帯電話、ＰＤＡ、タブレット型ＰＣ、電子書籍リーダー、ノートパソコンなどで、量子暗号化通信を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【０１９６】
１０・・・量子暗号通信システム、２０・・・送信側通信装置、２１・・・光源部、２２・・・偏光変調部、２３，３３・・・鍵メモリ、２４，３４・・・暗号化／復号化部、２５，３５・・・通信部、２６，３６・・・制御部、２７，４２・・・光ファイバコネクタ、３０・・・受信側通信装置、３１・・・光学部、３２・・・受光部、３７・・・自動偏波制御部、フィルタ４１、５１・・・量子通信路、５２・・・光ファイバ、５５・・・古典通信路、２１１・・・半導体発光素子、２１２，２２６，３１９・・・レンズ、２２１，２２３，２２４ａ・・・液晶リターダ、２２２，３１３・・・１／４波長板、２２４・・・強度変調部、２２４ｂ，２２５・・・偏光子、３１０，３１１・・・無偏光ビームスプリッタ、３１２，３１５，３１６・・・偏光ビームスプリッタ、３１４，３１７・・・１／２波長板、３２１V，３２１H，３２１L，３２１R，３２１+，３２１-・・・受光素子
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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