(57)【要約】【課題】共通鍵抽出のための処理を一層複雑化して、攻撃者に対する安全性を向上させる。【解決手段】多値数に応じて原始多項式と初期値の異なる複数ｍ台の擬似乱数発生器を並列で駆動して得られた出力を１ブロックとし、２値乱数入替え用の擬似乱数発生器を用いて１ブロック単位で２値乱数の入替えを行い、その１ブロックをランニング鍵として２値光信号対(基底)を選択し、多値信号を設定する。これにより、盗聴者から見た１台の擬似乱数発生器における乱数系列のエラーの位置と個数をランダムにして、盗聴者による共通鍵抽出の処理を一層複雑化する。【選択図】図１
2008245053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信側でＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて送信データを多値変調して暗号化したデータを送信し、受信側で該多値変調された暗号化データを同じＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて復号化する光通信量子暗号通信方法において、
送信側では、初期値と結線構造の異なる複数の擬似乱数発生器を並列に駆動して得られる出力を１ブロックとして、１ブロック単位で２値乱数系列の入替えを行ったものをＲｕｎｎｉｎｇ鍵として多値変調して、該擬似乱数発生器における出力乱数系列のエラーの位置と個数をランダムにし、
受信側では、同様に初期値と結線構造の異なる複数の擬似乱数発生器を並列に駆動して得られる出力を１ブロックとして、１ブロック単位で２値乱数系列の入替えを行ったものをＲｕｎｎｉｎｇ鍵として、２値検出を行い復号化することを特徴とする通信方法。
【請求項２】
送信側では、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の最下位ビット(ＬＳＢ)が１のとき基底の上を１、下を０とし、かつＲｕｎｎｉｎｇ鍵のＬＳＢが０のとき基底の上を０、下を１とし、又はＲｕｎｎｉｎｇ鍵のＬＳＢが１のとき基底の上を０、下を１とし、かつＲｕｎｎｉｎｇ鍵のＬＳＢが０のとき基底の上を１、下を０として、基底の持つ０、１の極性を決定し、
受信側では、同様にＲｕｎｎｉｎｇ鍵の最下位ビット(ＬＳＢ)が１のとき基底の上を１、下を０とし、かつＲｕｎｎｉｎｇ鍵のＬＳＢが０のとき基底の上を０、下を１とし、又はＲｕｎｎｉｎｇ鍵のＬＳＢが１のとき基底の上を０、下を１とし、かつＲｕｎｎｉｎｇ鍵のＬＳＢが０のとき基底の上を１、下を０として、基底の持つ０、１の極性を決定することを特徴とする請求項1の通信方法。
【請求項３】
送信側では、平文とＲｕｎｎｉｎｇ鍵の最上位ビット(ＭＳＢ)で排他的論理和を行った後に平文の基底を選択し、基底の持つ０、１の極性に合わせて多値信号を決定し、受信側ではＲｕｎｎｉｎｇ鍵の最上位ビット(ＭＳＢ)を取り除いたブロックをしきい値として、送信側と同じ基底の０、１の極性により２値検出し、２値検出後にＲｕｎｎｉｎｇ鍵の最上位ビット(ＭＳＢ)と排他的論理和を行うことを特徴とする請求項1の通信方法。
【請求項４】
前記擬似乱数発生器として、ＬＦＳＲ（リニアフィードバックシフトレジスタ）を使用し、出力されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵系列と同じ系列を出力する等価ＬＦＳＲの線形複雑度が、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の周期と等しくなるように設定することを特徴とする請求項1又は２又は３の通信方法。
【請求項５】
出力されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵系列と同じ系列を出力する等価ＬＦＳＲの線形複雑度を、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の周期と等しくすることにより、複数ｍの各ＬＦＳＲの構造推定を行うことを特徴とする請求項４の通信方法。
【請求項６】
Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて送信データを多値変調することにより暗号化した多値レベルの光信号を送信する送信機において、
複数ｍ種類の初期値Ｋと結線構造の異なる複数ｍの擬似乱数発生器と、複数ｍの擬似乱数発生器を並列に駆動することにより生成される乱数のブロックに関して、ブロック単位で２値乱数系列の入替えを行って、１つのＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する入替器と、該入替器による入替え位置を変更するために、該入替器に乱数を与える入替器用擬似乱数発生器と、該入替器から出力されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて、送信データをビット単位で多値変調して暗号化データを生成する多値変調器と、を有することを特徴とする送信機。
【請求項７】
送信機は、送信データとなる平文と、該入替器から出力される該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の最上位ビット(ＭＳＢ)で排他的論理和をとる排他的論理和手段を有し、排他的論理和をとった平文と、該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵により選択された平文の基底が持つ、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の最下位ビット(ＬＳＢ)で決定される０、１の極性に合わせてＲｕｎｎｉｎｇ鍵のＭＳＢを反転、又は非反転することで多値信号を決定し、多値変調すること特徴とする請求項６の送信機。
【請求項８】
Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、受信した暗号データを２値検出して復号化する受信機において、
複数ｍ種類の初期値Ｋと結線構造の異なる複数ｍの擬似乱数発生器と、複数ｍの擬似乱数発生器を並列に駆動することにより生成される乱数のブロックに関して、ブロック単位で２値乱数系列の入替えを行って、１つのＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する入替器と、該入替器による入替え位置を変更するために、該入替器に乱数を与える入替器用擬似乱数発生器と、該入替器から出力されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の最上位ビット（ＭＳＢ）を取り除いたブロックをしきい値として、該暗号化データをビット単位で復号化したデータを生成する２値検出器と、を有することを特徴とする受信機。
【請求項９】
該２値検出器から出力されるデータを、該入替器からのＲｕｎｎｉｎｇ鍵のＭＳＢと排他的論理和をとる排他的論理和手段を有する特徴とする請求項8の受信機。
【請求項１０】
前記擬似乱数発生器として、ＬＦＳＲ（リニアフィードバックシフトレジスタ）を使用し、出力されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵系列と同じ系列を出力する等価ＬＦＳＲの線形複雑度が、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の周期と等しくなるように設定する請求項６乃至８のいずれかの送信機又は受信機。
【請求項１１】
Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて送信データを多値変調して暗号化したデータを送信する光通信量子暗号送信方法において、
初期値と結線構造の異なる複数の擬似乱数発生器を使用して、ブロック単位で２値乱数系列の入替えを行い、該擬似乱数発生器における出力乱数系列のエラーの位置と個数をランダムにして、該暗号化データを作成することを特徴とする送信方法。
【請求項１２】
変調された暗号化データを同じＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて復号化する光通信量子暗号受信方法において、
初期値と結線構造の異なる複数の擬似乱数発生器を使用して、ブロック単位で２値乱数系列の入替えを行い、該擬似乱数発生器における出力乱数系列のエラーの位置と個数をランダムにされた該暗号化データから２値データを復号化することを特徴とする受信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信量子暗号通信方法及びその装置に係り、特に暗号通信に用いられる共通鍵抽出のための処理の複雑化に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信量子暗号として、光の量子ゆらぎ（量子ショット雑音）を変調によって拡散させ、盗聴者が光信号を正確に受信できなくすることにより、無限の計算能力でも解読不能な共通鍵量子暗号が知られている。この共通鍵量子暗号は、２値の送信データを搬送する２値の光信号を１つのセット（基底という）とし、この基底をＭ個用意し、いずれの基底を使ってデータを送るかは暗号鍵に従う擬似乱数によって不規則に決める。これにより、現実的には光多値信号は量子ゆらぎによって識別ができないほど信号間距離が小さく設計されているため、結局、盗聴者は全く受信信号からデータ情報を読みとることができないというものである。
【０００３】
正規な送受信者の光変復調装置は、２値のＭ個の基底を共通の擬似乱数にしたがって切り換えて通信するため、正規な受信者は信号間距離の大きな２値の信号判定によってデータを読みとることができ、結局、量子ゆらぎによるエラーは無視でき、正確な通信が可能となる。
【０００４】
この原理に基づく暗号方式は、Ｙｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（Ｙ−００プロトコルと略称される）によるＹｕｅｎ量子暗号と呼ばれる。現在、このＹ−００プロトコルを具現化する通信方式としては、Ｐ．ＫｕｍａｒやＨ．ＹｕｅｎらのＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ大学が非特許文献１により光位相変調方式を発表している。また、玉川大学グループが非特許文献２により光強度変調方式を発表している。
尚、このＹ−００プロトコルは、光の量子ゆらぎを活用しない場合（古典Ｙ−００と呼ぶ）、例として無線通信、電気的な通信にも、通常のストリーム暗号と比較して高い暗号強度が実現できるプロトコルである。
【０００５】
【非特許文献１】Ｇ．Ａ．Ｂａｒｂｏｓａ，  Ｅ．Ｃｏｒｎｄｏｒｆ，  Ｐ．Ｋｕｍａｒ，  Ｈ．Ｐ．Ｙｕｅｎ，  “Ｓｅｃｕｒｅ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｓｔａｔｅ，”  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  ｖｏｌ−９０，  ２２７９０１，  （２００３）
【非特許文献２】Ｏ．Ｈｉｒｏｔａ，  Ｋ．Ｋａｔｏ，  Ｍ．Ｓｏｈｍａ，  Ｔ．Ｕｓｕｄａ，  Ｋ．Ｈａｒａｓａｗａ，  “Ｑｕａｎｔｕｍ  ｓｔｒｅａｍ  ｃｉｐｈｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ”  ＳＰＩＥ  Ｐｒｏｃ．  ｏｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｖｏｌ−５５５１，  （２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
量子ゆらぎにより安全性が担保される光通信量子暗号Ｙ−００では、量子ゆらぎを効果的に用いるために多値変調を行っている。多値変調を行う際、基底数をＭとすると擬似乱数発生器の出力乱数系列をlog2Ｍビットごとのブロックに分け、そのブロックをＲｕｎｎｉｎｇ鍵(Ｍ通り)としてＭ個の基底の１つを選択する。
【０００７】
盗聴者が解読を行う場合、信号の測定値から測定値に対応したＲｕｎｎｉｎｇ鍵系列を得ようとするが、量子ゆらぎの効果により測定値へ原理的に避けられないエラーが発生する。従って盗聴者はエラーの混入したＲｕｎｎｉｎｇ鍵系列から正しい共通鍵の抽出を行わなければならい。このとき、出力乱数系列中のエラーの位置と個数を完全なランダムに近づけることで、盗聴者による共通鍵抽出のための処理を複雑化できる。
【０００８】
本発明の目的は、盗聴者による共通鍵抽出のための処理をより複雑化することにより、攻撃者に対する安全性を一層向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、初期値と結線構造の異なる複数の擬似乱数発生器を並列に駆動し、その出力を１ブロックとして、ブロック単位で２値乱数系列の入替えを行うことで、擬似乱数発生器における出力乱数系列のエラーの位置と個数をランダムにし、共通鍵抽出のための処理を複雑化するものである。
【００１０】
本発明に係る通信方法は、好ましくは、送信側でＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて送信データを多値変調して暗号化したデータを送信し、受信側で多値変調された暗号化データを同じＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて復号化する光通信量子暗号通信方法において、
送信側では、初期値と結線構造の異なる複数ｍの擬似乱数発生器を並列駆動して得られる出力を１ブロックとして、ブロック単位で２値乱数系列の入替えを行って、擬似乱数発生器における出力乱数系列のエラーの位置と個数をランダムにして暗号化データを生成し、
受信側では、同様に初期値と結線構造の異なる複数の擬似乱数発生器を使用して、ブロック単位で２値乱数系列の入替えを行って、受信した暗号化データを２値検出して復号化する通信方法として構成される。
【００１１】
好ましい例では、送信側では、平文とＲｕｎｎｉｎｇ鍵の最上位ビット（ＭＳＢ）で排他的論理和を行った後に平文の基底を選択し、基底の持つ０，１極性に合わせてＲｕｎｎｉｎｇ鍵のＭＳＢを反転、又は非反転することで多値信号を選択し、受信側では２値検出後にＲｕｎｎｉｎｇ鍵の最上位ビットと排他的論理和を行う。
また、好ましくは、前記擬似乱数発生器として、ＬＦＳＲ（リニアフィードバックシフトレジスタ）を使用し、出力されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵系列と同じ系列を出力する等価ＬＦＳＲの線形複雑度が、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の周期と等しくなるように設定する。
また、好ましくは、出力されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵系列と同じ系列を出力する等価ＬＦＳＲの線形複雑度が、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の周期と等しくすることにより、盗聴者に対して複数ｍの各ＬＦＳＲの構造推定を行わせる。
本発明はまた送信側における送信方法、及び受信側における受信方法としてもそれぞれ把握し得る。
【００１２】
また、本発明に係る送信機は、好ましくは、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて送信データを多値変調することにより暗号化した多値レベルの光信号を送信する送信機において、初期値Ｋと結線構造の異なる複数ｍの擬似乱数発生器と、複数ｍの擬似乱数発生器を並列駆動して得られる出力を1ブロックとして、ブロック単位で２値乱数系列の入替えを行って１つのＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する入替器と、入替器による入替え位置を変更するために入替器に乱数を与える入替器用擬似乱数発生器と、入替器から出力されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて、送信データをビット単位で多値変調して暗号化データを生成する多値強度変調器と、を有する送信機として構成される。
【００１３】
また、本発明に係る受信機は、好ましくは、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、受信した暗号データを２値化して復号化する送信機において、初期値Ｋと結線構造の異なる複数ｍの擬似乱数発生器と、複数ｍの擬似乱数発生器を並列駆動することにより生成される複数の乱数のブロックに関して、ブロック単位で２値乱数系列の入替えを行って１つのＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する入替器と、入替器による入替え位置を変更するために入替器に乱数を与える入替器用擬似乱数発生器と、入替器から出力されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて、暗号化データをビット単位で復号化したデータを生成する２値検出器と、を有する受信機として構成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光通信量子暗号Ｙ−００における盗聴者の鍵の絞込み数が増大し、1台の擬似乱数発生器における乱数系列のエラーの位置と個数がランダムになるため、盗聴者による共通鍵抽出のための処理がより複雑化する。これにより、相関攻撃や高速相関攻撃が役に立たなくなり一層安全性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
まず、盗聴者による共通鍵抽出処理の複雑化の原理について説明する。
光通信量子暗号では、信号測定時の量子ゆらぎによるエラーで、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の下位数ビット程度にエラーが生じる。この状態ではエラーの位置が特定されるために、相関攻撃、高速相関攻撃等に弱くなる。
そこでこれを改善するため、多値数に応じて原始多項式と初期値の異なるｍ台の擬似乱数発生器を用意する。このとき、ｍ台の擬似乱数発生器全ての原始多項式を異なるものにしなければならない。その理由は、擬似乱数発生器の結線構造は原始多項式によって決定されており、原始多項式が等しいということは、擬似乱数発生器の結線構造も等しくなり、1台の擬似乱数発生器の構造が推定されたときに、他の擬似乱数発生器の結線構造も分かってしまうからである。また、初期値もある1台の擬似乱数発生器の初期値から他の擬似乱数発生器の初期値が推定されることを防ぐために、全て異なる初期値を用意する。それら複数の擬似乱数発生器を並列で駆動し、得られる出力を1ブロックとして、ブロック単位で２値乱数入替え用の擬似乱数発生器を用いて２値乱数の入替えを毎回行った後、そのブロックをＲｕｎｎｉｎｇ鍵として基底を選択し、多値の信号を選択する。
【００１６】
盗聴者が解読を行おうとすると、信号測定時に量子ゆらぎによって、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の下位数ビット程度によるエラーが発生する。量子ゆらぎによるエラーは相関が無く、個数がランダムになる。(確率的に有意性を持っている)光通信量子暗号ではデフォルト設定でエラーの個数がＲｕｎｎｉｎｇ鍵の下位０〜３ビット程度になるように光多値信号の信号間距離が設計されている。
【００１７】
以上より、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵におけるエラーの位置は殆んど固定されているが、ブロック単位で２値乱数の入替えを毎回行うことにより、1ブロックを構成しているｍ台全ての擬似乱数発生器がエラーを経験することになり、1台の擬似乱数発生器における出力乱数系列のエラーの位置と個数がランダムになる。
【００１８】
上記の方法により盗聴者から見た1台の擬似乱数発生器における出力乱数系列のエラーの位置と個数がランダムになることが理解される。しかし、原始多項式と初期値の異なるｍ台の擬似乱数発生器を並列で駆動し、２値乱数の入替えを行った後のＲｕｎｎｉｎｇ鍵系列と全く同じ系列を出力する等価擬似乱数発生器が存在する場合、盗聴者はＲｕｎｎｉｎｇ鍵系列から等価擬似乱数発生器の構造推定を行おうとする可能性がある。この場合、盗聴者の共通鍵抽出のための処理は複雑化されない。
【００１９】
そこで、盗聴者にＲｕｎｎｉｎｇ鍵系列を出力する等価擬似乱数発生器を作らせないため、さらに暗号用乱数として以下のような工夫が必要になる。
まず、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵は多値強度変調の際の基底選択を行うため、最終的に暗号化を行う鍵となる。よってｍ通りののＲｕｎｎｉｎｇ鍵は全て偏りなく１／ｍの確率で生成されるようにしなければならない。
次に、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵系列と同じ系列を出力する等価擬似乱数発生器の線形複雑度をＲｕｎｎｉｎｇ鍵系列の周期と等しくなるように設定する。このとき、盗聴者はｍ台の各擬似乱数発生器の構造推定をそれぞれ行わなければならない。線形複雑度とは、ある系列が与えられた場合、それを生成する最小の擬似乱数発生器の段数を示す。与えられた系列を生成する擬似乱数発生器は必ず存在する。極端な場合、与えられた系列と同じ長さを持つシフトレジスタを用意し、初期値として与えられた系列をそのままセットすればよい。線形複雑度の計算には一般的にBerlekamp-Massy法が用いられる。このアルゴリズムは与えられた乱数系列から逐次的に線形複雑度と最小生成擬似乱数発生器の構成するアルゴリズムである。1ビットごとに計算を行うとそれまでの系列を出力する原始多項式と線形複雑度が逐次的に得られる。そして与えられた乱数系列の線形複雑度以上計算を続けると原始多項式が変化しなくなり、このときの原始多項式が正しいものとなる。これにより正しい線形複雑度と結線構造が分かるので、等価擬似乱数発生器が求められる。
【００２０】
Berlekamp-Massy法はどのような系列にも適用できるが、等価擬似乱数発生器の線形複雑度がＲｕｎｎｉｎｇ鍵系列の周期と等しくなるように設計されていれば、原始多項式が常に変化し続けて一意に決まらないので、等価擬似乱数発生器を求められずにＲｕｎｎｉｎｇ鍵系列の全ての周期が終わってしまう。よって、盗聴者は出力乱数系列の一部から残りの系列を予測することができず、ｍ台それぞれの擬似乱数発生器の構造推定を行う必要がある。
【００２１】
盗聴者がｍ個の各擬似乱数発生器の構造推定を行わなければならないとき、その安全性指数は以下のようになる。
通常擬似乱数発生器のレジスタ数(線形複雑度)をｎとすると、連続した正確な２ｎビットがあれば全ての系列を生成できる。これは、２ｎビットの連続する出力から結線構造に関するｎ元連立方程式が得られるからである。よって盗聴者は1台の擬似乱数発生器の出力乱数系列分の２ｎビットの信号を測定する。
【００２２】
次に、盗聴者は信号測定時に発生するエラーを考慮して真の鍵の可能数を絞り込む。そして絞り込まれた鍵の中から真の鍵を見つけ出すために既知平文攻撃を行う。この絞り込みの数はＹ−００における安全性指数Ｑとして既に評価されている。
基本モデルＹ−００の安全性指数は
【００２３】
【数１】
2008245053.tif 000003
【００２４】
である。
ここで、ｎ:レジスタ数、Ｍ：基底数、Ｊ：量子ゆらぎによる識別不可能信号数である。
2008245053.tif 000004
【００２５】
【数２】
2008245053.tif 000005
【００２６】
となる。ｍは用意する擬似乱数発生器の台数であり、多値数に応じて変わる値で、基定数Ｍを使って記述すると、
【００２７】
【数３】
2008245053.tif 000006
【００２８】
台である。
【００２９】
式(１)、(２)より明らかに、
【００３０】
【数４】
2008245053.tif 000007
【００３１】
となるので安全性が大きく向上することがわかる。
【００３２】
ここで図２及び図３を参照して、エラーの個数とその分散範囲について説明する。
図２は各ブロック鍵(Running鍵)Ｋ1R〜鍵Ｋ5Rに関連したエラーの個数及びその範囲を示している。図２のエラーと書かれた範囲にエラーが生じていることを示す。図３は各擬似乱数発生器によるエラーの位置（△印）と個数の関係を示す。
例えば、Running鍵Ｋ1RではＫ(1)とＫ(6) とＫ(m)がエラーであり、それは図３を参照すると、擬似乱数発生器１１２と１１6と１１mの３ヶ所にエラーがあることに対応する。また、他の例として、Running鍵Ｋ3RではＫ(1)とＫ(3)の２つがエラーであり、それは図５を参照すると、擬似乱数発生器１１１、１１３の２ヶ所にエラーがあることに対応する。
このように、ブロック単位(Running鍵単位)で発生するエラーを1台の擬似乱数発生器におけるエラーとしてまとめると、出力乱数系列のエラーの位置と個数がランダムになることが理解できる。
【００３３】
次に、図１を参照して、光通信量子暗号通信の具体例について説明する。
図１において、光通信量子暗号Ｙ−００による通信システムは、送信機１と受信機２が光ファイバー等の通信路３を介して接続して構成される。
送信機１は、初期暗号鍵|ｋ|の入力により擬似乱数系列を生成してＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する複数ｍ台の擬似乱数発生器１１１，１１２、１１ｍ−１、１１ｍと、並列に駆動される擬似乱数発生器１１１，１１２、１１ｍ−１、１１ｍから生成されたｍ個の乱数を１ブロックとして、ブロック単位で位置の入れ替えて最終的にＲｕｎｎｉｎｇ鍵ＫRを出力する２値乱数入替器１２と、２値乱数入替器１２における入替えのビット位置を決めるための擬似乱数を発生する擬似乱数発生器１３と、１または０からなる送信データ（平文）Ｘiを１ビットずつ、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵ＫRのＭＳＢ（最上位ビット）で排他的論理和を取る（即ち平文のビットの極性をＲｕｎｎｉｎｇ鍵ＫRによって反転する）ＸＯＲ(Tx)１５と、ＸＯＲ(Tx)１５で反転処理された送信データXi‘をＲｕｎｎｉｎｇ鍵ＫRの値に応じた基底と、基底の持つ０、１極性により、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵ＫRのＭＳＢを反転又は非反転させることで、平文をビット単位で多値変調して、多値レベルのアナログ信号（暗号文Ｃi）を生成する多値強度変調器１４を備えて構成される。
【００３４】
ここで、複数の擬似乱数発生器１１１〜１１ｍ、１３には、例えば、デフォルト設定でリニアフィードバックシフトレジスタ（Linear Feedback Shift Register(ＬＦＳＲ)）が用いられ、かつそれらの擬似乱数発生器は、初期値と結線構造が全て異なる。同様に、後述する複数ｍ台の擬似乱数発生器２１１〜２１ｍ、２３もＬＦＳＲが用いられ、それらの初期値と結線構造は全て異なる。ここで、送信側と受信側は同じＲｕｎｎｉｎｇ鍵ＫRを用いて暗号通信するので、擬似乱数発生器１１１〜１１ｍと擬似乱数発生器２１１〜２１ｍは初期値と結線構造が同じである。
また、図中、|Ｋ1|〜|Ｋm|は擬似乱数発生器１１１，１１２、１１ｍの初期鍵、Ｋ(1)〜Ｋ(m)は擬似乱数発生器１１１，１１２、１１ｍの出力、ＫRはＲｕｎｎｉｎｇ鍵を示す。
【００３５】
受信機２は、初期暗号|ｋ|の入力により擬似乱数系列を生成してＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する複数ｍ台の擬似乱数発生器２１１，２１２、２１ｍ-1、２１ｍと、並列に駆動される擬似乱数発生器２１１，２１２、２１ｍ−１、２１ｍから生成されたｍ個の乱数を１ブロックとして、ブロック単位で位置の入れ替えて、最終的にＲｕｎｎｉｎｇ鍵ＫRを出力する２値乱数入替器２２と、２値乱数入替器２２における入替えのビット位置を決めるための擬似乱数を発生する擬似乱数発生器２３と、通信路３を介して受信した送信データ（Ｃi）に対して２値乱数入替器２２から出力されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵ＫRからＭＳＢ（最上位ビット）を取り除いたブロックをしきい値として、送信側の基底と同じ０，１極性で、０と１との判定（弁別）を行って２値から成る受信データを出力する２値検出器２４と、２値の受信データを１ビットずつ、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵ＫRのＭＳＢで排他的論理和を取り、平文を出力するＸＯＲ(Rx)２５と、を備えて構成される。
【００３６】
このような構成のシステムにおいて、送信機１では、送信データＸiは、複数の擬似乱数発生器１１１，１１２、１１ｍ−１、１１ｍを並列に駆動して生成し得られた１つのＲｕｎｎｉｎｇ鍵ＫRの値に従って多値強度変調器１４で多値光信号に変調して、通信路３へ送出される。受信機２では、複数の擬似乱数発生器２１１，２１２，２１ｍを並列に駆動して生成し得られた１つのＲｕｎｎｉｎｇ鍵ＫRに基づいて受信データ（暗号文Ｃi）を復号化して平文Ｘiを出力する。
【００３７】
なお、本発明は上記の実施例に限定されることなく、種々変形して実施し得る。
例えば、図１に示した、XOR１５及び２５は必ずしも必要としない。これらのＸＯＲが無くても、光通信量子暗号通信を実現することができる。
また、図１に示した送信機１又は受信機２の各機能は、ハードウェアとして回路で構成してもよいし、或いはその少なくとも一部をソフトウェアで実現してもよい。ソフトウェアで実現する場合、送信機１又は受信機２はＣＰＵを有し、所定の機能を実現するプログラムを実行することなる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態における光通信量子暗号Ｙ−００を採用した通信システムの構成を示す図。
【図２】一実施形態における盗聴者から見る、Running鍵系列へのエラー混入の様子を示す図。
【図３】一実施形態における盗聴者から見る、各擬似乱数発生器に対するエラーの位置と個数の関係。
【符号の説明】
【００３９】
１:送信機、    １１１、１１２、１１ｍ−１、１１ｍ、１３：擬似乱数発生器、  １２：２値乱数入替器、  １４：多値強度変調器、  １５：ＸＯＲ、  
２：受信機、  ２１１、２１２、２１ｍ−１、２１ｍ、２３：擬似乱数発生器、  
２２：２値乱数入替器、  ２４：２値検出器、  ２５：ＸＯＲ、  ３：通信路、  
Ｘi：平文、  Ｘi‘：平文とＲｕｎｎｉｎｇ鍵のＭＳＢでＸＯＲを取った結果、
Ｃi：暗号文、  |Ｋ1|〜|Ｋm|：各擬似乱数発生器の初期鍵、  ＫR：Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵、  Ｋ(1)〜Ｋ(m)：擬似乱数発生器出力、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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