(57)【要約】【課題】送信機と受信機との間に予め共有しなければならないモード選択鍵のような情報が不要な、量子雑音を利用した秘密鍵配送装置および方法を提供する。【解決手段】送信機から受信機へ光の量子雑音を利用した強度変調または位相変調の変調信号光を送信することにより、データの暗号化／復号化をするための秘密鍵を生成する。送信機は、量子揺らぎにより信号分布の一部が重なり合うレベルに設定された２値の変調信号光を送出する。受信機は、受信した変調信号光を電気信号に変換し、その電気信号のうちの高レベル信号の中心出力値よりも高いレベルに予め設定された第１のしきい値と、電気信号のうちの低レベル信号の中心出力値よりも低いレベルに予め設定された第２のしきい値とを、電気信号と比較して、第１のしきい値よりもレベルの高い電気信号と、第２のしきい値よりもレベルの低い電気信号とを、しきい値を超えた信号として出力する。【選択図】図１
2008066981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信機から受信機へ光の量子雑音を利用した光強度変調または光位相変調による変調信号光を送信することにより、データの暗号化／復号化をするための秘密鍵を生成する秘密鍵配送装置であって、
前記送信機においては、
量子揺らぎにより信号分布の一部が重なり合うレベルに設定された２値の光強度変調または光位相変調による変調信号光を送出する変調信号光送出手段と、
前記変調信号光のタイムスロット時刻と変調値を記録する送信機側情報処理手段と、
を備え、
前記受信機においては、
受信した前記変調信号光を電気信号に変換する光検出手段と、
前記電気信号のうちの高レベル信号の中心出力値よりも高いレベルに予め設定された第１のしきい値と、前記電気信号のうちの低レベル信号の中心出力値よりも低いレベルに予め設定された第２のしきい値とを備え、前記電気信号と前記第１、第２のしきい値を比較して、前記第１のしきい値よりもレベルの高い電気信号と、前記第２のしきい値よりもレベルの低い電気信号とを識別して、しきい値を超えた信号として出力する識別手段と、
前記しきい値を超えた信号のタイムスロット時刻とそのレベル値に基づいて生成した秘密鍵のビット列とを記録し、かつ該タイムスロット時刻を前記送信機側情報処理手段に送信する受信機側情報処理手段とを備え、
前記送信機側情報処理手段は前記受信機側情報処理手段から送信された前記タイムスロット時刻での変調値に基づいて秘密鍵のビット列を生成することを特徴とする秘密鍵配送装置。
【請求項２】
前記変調信号光送出手段は２値の位相変調信号光を送出し、
前記光検出手段は、
前記２値の位相変調信号光と同一光周波数であって、かつ位相が２値の変調位相の中心値と等しい局発光を発生する局発光源と、
受信した前記２値の位相変調信号光と前記局発光を合波する２×２光カップラと、
前記２×２光カップラの２つの出力光の強度をそれぞれ電気信号に変換する２つの光電変換手段と、
前記２つの光電変換手段からの電気信号を差動検出し、差動検出出力を前記識別手段に送出する差動検出手段と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の秘密鍵配送装置。
【請求項３】
前記変調信号光送出手段は、２値の位相変調信号光として、量子揺らぎにより信号分布の一部が重なり合うレベルに設定された２値の位相変調パルス光と、該位相変調パルス光の２つの変調位相値の中心値である位相を有する無変調パルス光とを、時間位置をずらせて送出し、
前記光検出手段は、
受信した前記位相変調パルス光と前記無変調パルス光とを２分岐する光分岐手段と、
前記光分岐手段で分岐された一方のパルス光にパルス間隔に等しい時間遅延とπ／２の位相遅延を与えた後、前記光分岐手段で分岐された他方のパルス光と合波する光合波手段と、
前記光合波手段の２つの出力光の強度をそれぞれ電気信号に変換する２つの光電変換手段と、
前記２つの光電変換手段からの電気信号を差動検出し、差動検出出力を前記識別手段に送出する差動検出手段と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の秘密鍵配送装置。
【請求項４】
前記変調信号光送出手段は、光源から発生した横直線偏波光を２分岐し、分岐された一方の横直線偏波光に遅延を与え、かつ遅延を与えられた該横直線偏波光を縦直線偏波に変換した後、前記分岐された他方の横直線偏波光と合波することで、第１パルスが横偏波、第２パルスが縦偏波である２連続パルス光を生成し、該２連続パルス光の一方のパルスに対して２値の位相変調を加えた位相変調信号光を送出し、
前記光検出手段は、
受信した前記位相変調信号光の前記２連続パルス光を前記第１パルスと前記第２パルスに分離する偏波ビームスプリッタと、
前記偏波ビームスプリッタで分離された前記第１パルスのパルス光に対してパルス間隔に等しい時間遅延とπ／２の位相遅延を与え、かつ偏波状態を縦直線から横直線に変換した後、前記偏波ビームスプリッタで分離された前記第２パルスのパルス光と合波する光合波手段と、
前記光合波手段の２つの出力光の強度をそれぞれ電気信号に変換する２つの光電変換手段と、
前記２つの光電変換手段からの電気信号を差動検出し、差動検出出力を前記識別手段に送出する差動検出手段と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の秘密鍵配送装置。
【請求項５】
前記変調信号光送出手段は、コヒーレントな連続光または一定間隔のパルス光列に対して２値の位相変調を加えて生成した２値の位相変調信号光を送出し、
前記光検出手段は、
受信した前記２値の位相変調信号光を２分岐する光分岐手段と、
前記光分岐手段で分岐された一方のパルス光に位相変調の時間幅に等しい時間遅延とπ／２の位相遅延を与えた後、前記光分岐手段で分岐された他方のパルス光と合波する光合波手段と、
前記光合波手段の２つの出力光の強度をそれぞれ電気信号に変換する２つの光電変換手段と、
前記２つの光電変換手段からの電気信号を差動検出し、差動検出出力を前記識別手段に送出する差動検出手段と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の秘密鍵配送装置。
【請求項６】
送信機から受信機へ光の量子雑音を利用した光強度変調または光位相変調による変調信号光を送信することにより、データの暗号化／復号化をするための秘密鍵を生成する秘密鍵配送方法であって、
前記送信機においては、
量子揺らぎにより信号分布の一部が重なり合うレベルに設定された２値の光強度変調または光位相変調による変調信号光を送出する変調信号光送出ステップと、
前記変調信号光のタイムスロット時刻と変調値を記録する送信機側情報処理ステップと、
を実行し、
前記受信機においては、
受信した前記変調信号光を電気信号に変換する光検出ステップと、
前記電気信号のうちの高レベル信号の中心出力値よりも高いレベルに予め設定された第１のしきい値と、前記電気信号のうちの低レベル信号の中心出力値よりも低いレベルに予め設定された第２のしきい値とを有し、前記電気信号と前記第１、第２のしきい値を比較して、前記第１のしきい値よりもレベルの高い電気信号と、前記第２のしきい値よりもレベルの低い電気信号とを識別して、しきい値を超えた信号として出力する識別ステップと、
前記しきい値を超えた信号のタイムスロット時刻とそのレベル値に基づいて生成した秘密鍵のビット列とを記録し、かつ該タイムスロット時刻を前記送信機に送信する受信機側情報処理ステップとを実行し、
前記送信機側情報処理ステップにおいて、前記受信機側情報処理ステップから送信された前記タイムスロット時刻での変調値に基づいて秘密鍵のビット列を生成することを特徴とする秘密鍵配送方法。
【請求項７】
前記変調信号光送出ステップでは２値の位相変調信号光を送出し、
前記光検出ステップは、
前記２値の位相変調信号光と同一光周波数であって、かつ位相が２値の変調位相の中心値と等しい局発光を発生するステップと、
受信した前記２値の位相変調信号光と前記局発光を合波するステップと、
合波された２つの出力光の強度をそれぞれ電気信号に変換するステップと、
変換された２つの電気信号を差動検出し、差動検出出力を前記識別ステップに供給する差動検出ステップと、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の秘密鍵配送方法。
【請求項８】
前記変調信号光送出ステップでは、２値の位相変調信号光として、量子揺らぎにより信号分布の一部が重なり合うレベルに設定された２値の位相変調パルス光と、該位相変調パルス光の２つの変調位相値の中心値である位相を有する無変調パルス光とを、時間位置をずらせて送出し、
前記光検出ステップは、
受信した前記位相変調パルス光と前記無変調パルス光とを２分岐する光分岐ステップと、
前記光分岐ステップで分岐された一方のパルス光にパルス間隔に等しい時間遅延とπ／２の位相遅延を与えた後、前記光分岐ステップで分岐された他方のパルス光と合波する光合波ステップと、
前記光合波ステップの２つの出力光の強度をそれぞれ電気信号に変換する２つの光電変換ステップと、
前記２つの光電変換ステップで変換された電気信号を差動検出し、差動検出出力を前記識別ステップに供給する差動検出ステップと、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の秘密鍵配送方法。
【請求項９】
前記変調信号光送出ステップでは、光源から発生した横直線偏波光を２分岐し、分岐された一方の横直線偏波光に遅延を与え、かつ遅延を与えられた該横直線偏波光を縦直線偏波に変換した後、前記分岐された他方の横直線偏波光と合波することで、第１パルスが横偏波、第２パルスが縦偏波である２連続パルス光を生成し、該２連続パルス光の一方のパルスに対して２値の位相変調を加えた信号を２値の位相変調信号光として送出し、
前記光検出ステップは、
受信した前記位相変調信号光の前記２連続パルス光を前記第１パルスと前記第２パルスに分離するステップと、
分離された前記第１パルスのパルス光に対してパルス間隔に等しい時間遅延とπ／２の位相遅延を与え、かつ偏波状態を縦直線から横直線に変換した後、前記分離された前記第２パルスのパルス光と合波する光合波ステップと、
前記光合波ステップの２つの出力光の強度をそれぞれ電気信号に変換する２つの光電変換ステップと、
前記２つの光電変換ステップで変換された電気信号を差動検出し、差動検出出力を前記識別ステップに供給する差動検出ステップと、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の秘密鍵配送方法。
【請求項１０】
前記変調信号光送出ステップでは、コヒーレントな連続光または一定間隔のパルス光列に対して２値の位相変調を加えて生成した２値の位相変調信号光を送出し、
前記光検出ステップは、
受信した前記２値の位相変調信号光を２分岐する光分岐ステップと、
前記光分岐ステップで分岐された一方のパルス光に位相変調の時間幅に等しい時間遅延とπ／２の位相遅延を与えた後、前記光分岐ステップで分岐された他方のパルス光と合波する光合波ステップと、
前記光合波ステップの２つの出力光の強度をそれぞれ電気信号に変換する２つの光電変換ステップと、
前記２つの光電変換ステップで変換された電気信号を差動検出し、差動検出出力を前記識別ステップに供給する差動検出ステップと、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の秘密鍵配送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、暗号通信に用いる秘密鍵配送技術に関し、特に、量子雑音を利用した秘密鍵配送装置および秘密鍵配送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
データを盗聴者に読み取られないように暗号化して送受信する暗号通信には、公開鍵暗号方式と秘密鍵暗号方式がある。秘密鍵暗号方式は、送受信者が共通の秘密鍵を保有し、この秘密鍵を用いてデータの暗号化・復号化を行う。この方式は、秘密鍵が外部に知られない限り、もっとも安全な暗号通信を提供する。しかし、この方式では、秘密鍵を送受信者に安全に供給する手段が課題となる。
【０００３】
離れた２者に秘密鍵を安全に供給する手段として、量子雑音を利用した秘密鍵配送方法が研究されている。図１０にその基本構成を示す。秘密鍵配送システムは、秘密鍵データを変調して送信する送信機１０と、変調された秘密鍵データを配送する伝送路３０と、変調された秘密鍵データを受信して復調する受信機２０とから構成される。この秘密鍵配送システムでは、送信機１０及び受信機２０は、共通のモード選択鍵を保有しているものとする。送信機１０は、このモード選択鍵に従って秘密鍵データを変調し、伝送路３０を介して受信機２０に送信する。受信機２０は、伝送路３０を介して送信機からの変調された秘密鍵データを受信し、復調する。
【０００４】
変復調の方法としては、従来、光の強度を用いたもの（例えば、非特許文献１、非特許文献２）や光の偏波を用いたもの（例えば、非特許文献３）が知られている。しかしながら、偏波を用いるものは、伝送に伴う偏波変動のために、光ファイバ伝送には適さない。そのため、ここでは光強度を用いる方法について説明する。
【０００５】
図１１は、強度変調を用いた従来の秘密鍵配送システムにおける変復調方法を説明するための図である。ここで、信号レベルに直交する軸（図１１では水平軸）は、信号レベルが起こりうる確率を表す（後述の図１２、図１３も同様）。従来の変復調方法では、送信機１０は、図１１に示すように、多値の光強度変調信号を送信する。図１１では、例として４値（信号レベルが４つ）の場合を図示している。この４値のうちレベルの離れた２値をひとつのモードとする。図１１では、レベル１とレベル３をモード１、レベル２とレベル４をモード２としている。そして、モード１とモード２の２つのモードのいずれか１つをモード選択鍵により選択する。一方、受信機２０は、送信機１０と共有のモード選択鍵により、光強度に関するしきい値を設定する。すなわち、モードに応じて設定するしきい値を変える。図１１の場合では、モード１ならば、レベル１とレベル３との中間点であるしきい値を使用し、モード２ならば、レベル２とレベル４との中間点であるしきい値を使用する。次に、偶数次モード（例えば、モード２）では、例えば上位のレベルにビット「０」を、下位のレベルにビット「１」を割り当てる。また、奇数次モード（例えば、モード１）では、上位のレベルにビット「１」を、下位のレベルにビット「０」を割り当てる。すなわち、図１１の例では、レベル１にモード１のビット「０」を、レベル２にモード２のビット「１」を、レベル３にモード１のビット「１」を、レベル４にモード２のビット「０」を割り当てる。
【０００６】
送信機１０では、あらかじめ保有しているモード選択鍵に従ってビットごとにどのモードで変調するかを選択する。そして、送信する秘密鍵ビットを、選択したモードのレベル（信号レベル）に割り当てる。これにより、ひとつのタイムスロットでは、多値のうちのひとつのレベルが選択されて、送信されることになる。
【０００７】
受信機２０では、送信されてきた信号を直接検波し、送信機１０と共有のモード選択鍵により設定したしきい値により、検波した信号のビットが「０」か「１」を判定する。その判定の様子を図１２に示す。ここで、受信機２０は、あらかじめ共有しているモード選択鍵に従ってビットごとに、どのモードで復調するかを選択する。すなわち、図１２に示すように、モードに応じて、選択するしきい値を変える。例えば、図１２（Ａ）に示すように、モード１ならば、レベル１とレベル３との中間点であるしきい値を使用し、図１２（Ｂ）に示すように、モード２ならば、レベル２とレベル４との中間点であるしきい値を使用する。このようにして、受信機２０は、受信信号を復調し、得られた結果を秘密鍵データとする。
【０００８】
このようなシステムでは、多値変調のレベルを適切に設定することにより、盗聴行為に対して安全な秘密鍵配送システムを構成することができる。次に、その原理について説明する。一般に、光の強度レベルには、図１１の波形で示すように、量子雑音による揺らぎが存在する。この揺らぎは、量子力学的に生じるものであり、通常のレーザ光を使用する限り不可避なものである。信号レベルに揺らぎが存在すると、しきい値による判定にエラーを生じる可能性がある。例えば、ビット「０」を送った場合でも、レベルの揺らぎによりしきい値を超えてビット「１」と判定されることがある。こうしたエラーの発生確率は、ビット「０」とビット「１」のレベル差と、揺らぎの幅によって決まる。同じ揺らぎ幅であれば、レベル差が小さい程エラーが発生しやすい。そこで、多値変調のレベルを、隣り合うレベルの間隔は、誤り率が大きくなるように狭く設定する一方、同一モード内でのレベルの間隔は、誤り率が無視できる程度に広く設定する。図１１の例では、レベル１とレベル２、およびレベル３とレベル４の間隔は、それぞれ誤り率が大きく判別不可能となるように比較的狭く設定し、レベル１とレベル３、およびレベル２とレベル４の間隔は、それぞれ誤り率が小さく判別可能であるように比較的広く設定する。
【０００９】
正規の受信機２０は、送信機１０とモード選択鍵を予め共有しているので、どのモードで信号が送られているかを予め知っている。そのため、正規の受信機２０は、各モードでのビットの判定に最適なしきい値を選択することができる。例えば、図１２に示すように、正規の受信機２０はモードに応じてしきい値を適切に選択することができる。これにより、正規の受信機２０は、正しくビット情報を得ることができる。
【００１０】
一方、盗聴者（盗聴行為を行なう受信機、盗聴機ともいう；図示しない、以下同様）は、どのモードで信号が送られているかを知らない。そのため、盗聴者は、伝送信号を復調するためには、多値のすべてのレベルの信号を識別しなければならない。すなわち、図１３に示すように、隣り合うレベルの全ての中間点にしきい値をそれぞれ設定して、各レベルを識別し、ビットを判定しなければならない。ところが、量子雑音のために、隣り合う信号レベルは、正しく識別することができない。したがって、盗聴者は正しいビットを復調することができず、モード鍵を共有する送信機１０と正規の受信機２０の間でのみ秘密鍵が正しく伝送されることになる。
【００１１】
【非特許文献１】原澤、他、「光通信量子暗号伝送方式の原理実験」、電子情報通信学会、2004年通信ソサイエティ大会、B-10-34 、p.263, (2004年).
【非特許文献２】O. Hirota, et al., “Quantum key distribution with unconditional security for all optical fiber network”, Quantum Physics, 1 Aug 2003.<http://jp.arxiv.org/ans/quant-ph/0308007>
【非特許文献３】T. Nishioka, et al., “How much security does Y-00 protocol provide us ？”Physics Letters,  A327, pp.28-32, 2004.
【非特許文献４】Gilles Brassard and Louis Salvail, “Secret-key reconciliation by public discussion”, In Tor Helleseth, editor, Advances in Cryptology---EUROCRYPT '93, volume 765 of Lecture Notes in Computer Science, pages 410-423, Springer-Verlag, 1994.
【非特許文献５】Charles H, Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Ueli M. Maurer, “Generalized privacy amplification,” IEEE Transactions on Information Theory 41(6): pp.1915-1923, (1995).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記の従来技術では、送受信機はあらかじめモード選択鍵を共有していることが必要であり、このモード選択鍵を安全に配送することが困難であるという解決すべき課題があった。
【００１３】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、送信機と受信機との間に予め共有しなければならない情報（モード選択鍵のような情報）が不要な、量子雑音を利用した秘密鍵配送装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明の秘密鍵配送装置は、送信機から受信機へ光の量子雑音を利用した光強度変調または光位相変調による変調信号光を送信することにより、データの暗号化／復号化をするための秘密鍵を生成する秘密鍵配送装置であって、前記送信機においては、量子揺らぎにより信号分布の一部が重なり合うレベルに設定された２値の光強度変調または光位相変調による変調信号光を送出する変調信号光送出手段と、前記変調信号光のタイムスロット時刻と変調値を記録する送信機側情報処理手段と、を備え、前記受信機においては、受信した前記変調信号光を電気信号に変換する光検出手段と、前記電気信号のうちの高レベル信号の中心出力値よりも高いレベルに予め設定された第１のしきい値と、前記電気信号のうちの低レベル信号の中心出力値よりも低いレベルに予め設定された第２のしきい値とを備え、前記電気信号と前記第１、第２のしきい値を比較して、前記第１のしきい値よりもレベルの高い電気信号と、前記第２のしきい値よりもレベルの低い電気信号とを識別して、しきい値を超えた信号として出力する識別手段と、前記しきい値を超えた信号のタイムスロット時刻とそのレベル値に基づいて生成した秘密鍵のビット列とを記録し、かつ該タイムスロット時刻を前記送信機側情報処理手段に送信する受信機側情報処理手段とを備え、前記送信機側情報処理手段は前記受信機側情報処理手段から送信された前記タイムスロット時刻での変調値に基づいて秘密鍵のビット列を生成することを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記変調信号光送出手段は２値の位相変調信号光を送出し、前記光検出手段は、前記２値の位相変調信号光と同一光周波数であって、かつ位相が２値の変調位相の中心値と等しい局発光を発生する局発光源と、受信した前記２値の位相変調信号光と前記局発光を合波する２×２光カップラと、前記２×２光カップラの２つの出力光の強度をそれぞれ電気信号に変換する２つの光電変換手段と、前記２つの光電変換手段からの電気信号を差動検出し、差動検出出力を前記識別手段に送出する差動検出手段とを含むことを特徴とすることができる。
【００１６】
また、前記変調信号光送出手段は、２値の位相変調信号光として、量子揺らぎにより信号分布の一部が重なり合うレベルに設定された２値の位相変調パルス光と、該位相変調パルス光の２つの変調位相値の中心値である位相を有する無変調パルス光とを、時間位置をずらせて送出し、前記光検出手段は、受信した前記位相変調パルス光と前記無変調パルス光とを２分岐する光分岐手段と、前記光分岐手段で分岐された一方のパルス光にパルス間隔に等しい時間遅延とπ／２の位相遅延を与えた後、前記光分岐手段で分岐された他方のパルス光と合波する光合波手段と、前記光合波手段の２つの出力光の強度をそれぞれ電気信号に変換する２つの光電変換手段と、前記２つの光電変換手段からの電気信号を差動検出し、差動検出出力を前記識別手段に送出する差動検出手段と、を含むことを特徴とすることができる。
【００１７】
また、前記変調信号光送出手段は、光源から発生した横直線偏波光を２分岐し、分岐された一方の横直線偏波光に遅延を与え、かつ遅延を与えられた該横直線偏波光を縦直線偏波に変換した後、前記分岐された他方の横直線偏波光と合波することで、第１パルスが横偏波、第２パルスが縦偏波である２連続パルス光を生成し、該２連続パルス光の一方のパルスに対して２値の位相変調を加えた位相変調信号光を送出し、前記光検出手段は、受信した前記位相変調信号光の前記２連続パルス光を前記第１パルスと前記第２パルスに分離する偏波ビームスプリッタと、前記偏波ビームスプリッタで分離された前記第１パルスのパルス光に対してパルス間隔に等しい時間遅延とπ／２の位相遅延を与え、かつ偏波状態を縦直線から横直線に変換した後、前記偏波ビームスプリッタで分離された前記第２パルスのパルス光と合波する光合波手段と、前記光合波手段の２つの出力光の強度をそれぞれ電気信号に変換する２つの光電変換手段と、前記２つの光電変換手段からの電気信号を差動検出し、差動検出出力を前記識別手段に送出する差動検出手段と、を含むことを特徴とすることができる。
【００１８】
また、前記変調信号光送出手段は、コヒーレントな連続光または一定間隔のパルス光列に対して２値の位相変調を加えて生成した２値の位相変調信号光を送出し、前記光検出手段は、受信した前記２値の位相変調信号光を２分岐する光分岐手段と、前記光分岐手段で分岐された一方のパルス光に位相変調の時間幅に等しい時間遅延とπ／２の位相遅延を与えた後、前記光分岐手段で分岐された他方のパルス光と合波する光合波手段と、前記光合波手段の２つの出力光の強度をそれぞれ電気信号に変換する２つの光電変換手段と、前記２つの光電変換手段からの電気信号を差動検出し、差動検出出力を前記識別手段に送出する差動検出手段と、を含むことを特徴とすることができる。
【００１９】
上記目的を達成するため、本発明の秘密鍵配送方法は、送信機から受信機へ光の量子雑音を利用した光強度変調または光位相変調による変調信号光を送信することにより、データの暗号化／復号化をするための秘密鍵を生成する秘密鍵配送方法であって、前記送信機においては、量子揺らぎにより信号分布の一部が重なり合うレベルに設定された２値の光強度変調または光位相変調による変調信号光を送出する変調信号光送出ステップと、前記変調信号光のタイムスロット時刻と変調値を記録する送信機側情報処理ステップと、を実行し、前記受信機においては、受信した前記変調信号光を電気信号に変換する光検出ステップと、前記電気信号のうちの高レベル信号の中心出力値よりも高いレベルに予め設定された第１のしきい値と、前記電気信号のうちの低レベル信号の中心出力値よりも低いレベルに予め設定された第２のしきい値とを有し、前記電気信号と前記第１、第２のしきい値を比較して、前記第１のしきい値よりもレベルの高い電気信号と、前記第２のしきい値よりもレベルの低い電気信号とを識別して、しきい値を超えた信号として出力する識別ステップと、前記しきい値を超えた信号のタイムスロット時刻とそのレベル値に基づいて生成した秘密鍵のビット列とを記録し、かつ該タイムスロット時刻を前記送信機に送信する受信機側情報処理ステップとを実行し、前記送信機側情報処理ステップにおいて、前記受信機側情報処理ステップから送信された前記タイムスロット時刻での変調値に基づいて秘密鍵のビット列を生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
上記構成により、本発明によれば、正規の受信機が予め固定されたしきい値を用いるため、モード選択鍵のような予め配送しなければならない情報は不要になり、より安全な秘密鍵配送を行うことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態による秘密鍵配送システムの構成を示す。送信機１０は、強度変調器１７で変調された２値｛Ｉ0，Ｉ1｝の強度変調光を、光ケーブルのような伝送路３０を通じて受信機２０に送信する。受信機２０は、送られてきた信号光の強度を光検出器（ＤＥＴ）２１により電気信号に変換する。光検出器２１からの電気信号は識別器２８に入力され、識別器２８内で２種類のしきい値により並列にまたは順次に識別される。識別器２８からの識別結果（後述のタイムスロット時刻とビット値）が制御部（ＣＰＵ）２９のメモリに記録される。一方、送信機１０においては、強度変調データ｛Ｉ0，Ｉ1｝とそのタイムスロット時刻が制御部１９（ＣＰＵ）のメモリに記録される。
【００２２】
図２は、送信機１０における強度変調方法及び受信機２０における信号識別方法を説明するための図である。ここで、信号レベルに直交する軸（図２では水平軸）は、信号レベルが起こりうる確率を表す（後述の図５、図９も同様である）。背景技術の項で説明したように、送信機１０のレーザ光源１１からの出力光レベルは量子雑音のために揺らいでいる。そのため、強度変調器１７強度変調された信号光は２つのレベル｛Ｉ0，Ｉ1｝を中心に揺らいでいる（以後、Ｉ1＞Ｉ0とする）。ここで、図２に示すように、この２つの強度レベルを、揺らぎ成分が一部重なり合う程度に近接しているように設定する。この信号状態に対し、受信機２０においては、識別器２８の一方のしきい値（しきい値０）はＩ0よりも小さいレベルに設定され、識別器２８の他方のしきい値（しきい値１）はＩ1よりも大きなレベルに設定されている。そして、識別器２８は、受信信号のうち、しきい値１よりも大きなレベルの信号、及びしきい値０よりも小さいレベルの信号を、それぞれ「しきい値を超えた信号」として、そのタイムスロット時刻と後述のビット値を制御部２９に送り記憶させる。
【００２３】
この構成を用いて、送信機１０と受信機２０は、以下の手順のより秘密鍵を生成する。まず、送信機１０と受信機２０は上記方法により信号光を送受信する。次に、受信機２０の制御部２９は、別の伝送路４０を通じて、送信機１０に上記「しきい値を超えた信号」のタイムスロット時刻を通知する。但し、受信機２０の制御部２９はどちらのしきい値を超えたかは送信機１０に知らせない。伝送路４０としては光ファイバに限らず、既存の公衆通信網のような汎用の有線、あるいは無線の伝送路が利用できる。
【００２４】
送信機１０の制御部１９は、伝送路４０を通じて通知されたタイムスロット時刻について、Ｉ0で送っていた場合にはビット「０」を、Ｉ1で送っていた場合にはビット「１」を割り当て、得られたビット列を記憶する。一方、受信機２０の識別器２８は、しきい値１よりも大きい信号についてはビット「１」を、しきい値０よりも小さい信号についてはビット「０」を割り当て、得られたビット列を制御部２９に送って記憶させる。受信機２０において、しきい値１よりも大きい信号は、ほとんど送信レベルがＩ1の信号であり、またしきい値０よりも小さい信号は、ほとんど送信レベルがＩ0よりも小さい信号であるので、以上の手順により、送信機１０と受信機２０はほぼ同じビット列を得ることになる。このビット列を秘密鍵とする。
【００２５】
まれに、送信レベルＩ0の信号がしきい値１よりも大きく、あるいは送信レベルＩ1の信号がしきい値０よりも小さくなることがあり、ビット誤りとなるが、それらは誤り訂正という後処理により補償する。この誤り訂正には、例えば、送信機１０と受信機２０間で複数ビットのパリティを比較し合うことにより、パリティが不一致のブロックを探索し、その不一致のブロックから誤りビットを特定し、特定した誤りビットを訂正する等の公知の誤り訂正アルゴリズムが利用できる（例えば、非特許文献４を参照）。
【００２６】
このようなシステムでは、２つの強度変調レベルを適切に設定することにより、盗聴行為に対して安全な秘密鍵配送システムを構成することができる。次に、その原理について説明する。盗聴者が秘密鍵ビットを得るためには、送信レベルがＩ0であるかＩ1であるかを識別するか、または受信機２０においてどの信号がどちらのしきい値を超えるかを識別する必要がある。
【００２７】
前者の送信レベルの識別を行うには、盗聴者は、伝送路３０に接続して伝送信号の一部を受信し、しきい値をＩ0とＩ1との中間点に設定し、信号がしきい値以上ならばその信号の送信レベルはＩ1、信号がしきい値以下ならばその信号の送信レベルはＩ0と判定するのが最適な方法である。しかし、上記中間点では、Ｉ0とＩ1の揺らぎ分布が重なり合っているため（図２参照）、判定結果は大きな確率で誤りを伴うことになる。すなわち、量子雑音のため、盗聴者はＩ0とＩ1を正しく判別することはできない。
【００２８】
一方、信号が、受信機２０が設定したしきい値０またはしきい値１を超えるか否かを識別するためには、盗聴者は、伝送路３０に接続して伝送信号の一部を受信し、受信機２０と同じしきい値を設定し、そのしきい値を超えるか否かを判定することになる。しかしながら、量子雑音の性質により、分岐した光の揺らぎ方には全く相関がないので、盗聴者側でしきい値を超えた信号が受信機２０側でもしきい値を超えるとはかぎらず、盗聴者は受信者と同じ判定ができない。小さい確率で盗聴者と受信機２０の両者ともにしきい値を超える場合があり、その信号については盗聴されたことになるが、一部の盗聴は、一部漏洩した情報を消去するための秘匿性増強（Privacy Amplification）という後処理により補償することができる。この秘匿性増強には、例えば、生鍵ビット列を２ビットずつペアにし、そのＸＯＲ（排他的論理和）を新たにビットとする等の公知の秘匿性増強アルゴリズムが利用できる（例えば、非特許文献５を参照）。したがって、この盗聴方法も成功しない。
【００２９】
このように、送信機１０の送信レベルと受信機２０のしきい値を適切に設定することにより、図１のシステムを安全な秘密鍵配送システムとすることができる。
【００３０】
なお、図１では、送信機１０において、レーザ光源１１と強度変調器１７は別のものとして図示したが、例えば、直接電流変調された半導体レーザのように、両者が一体化されていてもよい。
【００３１】
また、説明のため、受信機２０において、識別器２８と制御部２９は別のものとしたが、光検出器２１からの信号を直接、制御部２９内に取り込み、制御部２９内でしきい値処理を行うようにしてもよい。本発明に適用可能な制御部１９、２９としては、例えば、中央演算処理装置、メモリ、モデムを含み、さらに必要に応じて、キーボード、ディスプレイ、外部記憶装置、アナログデジタル変換器等を含むものとし、専用機に限らず一般的なパーソナルコンピュータも利用可能とすることができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
図３に、本発明の第２の実施形態による秘密鍵配送システムの構成を示す。送信機１０は、位相変調器１８で位相変調された２値｛＋δ，−δ｝の位相変調光を、伝送路３０を介して受信機２０へ送信する。受信機２０は、送られてきた信号光を２×２の光カップラ２４を用いて局発光源２２からの局発光と合波する。光カップラ２４の２つの合波出力端子にはそれぞれ光検出器（ＤＥＴ０、ＤＥＴ１）２５，２６が接続されているので、光カップラ２４で合波された光信号は光検出器２５，２６で電気信号に変換される。光検出器２５，２６からの２つの電気信号は、減算器２７により差動検出（一方から他方を引き算して出力する検出方法）される。この差動検出出力は、識別器２８に入力されて２種類のしきい値により並列にまたは順次に識別され、識別器２８からの識別結果（後述のタイムスロット時刻とビット値）は制御部（ＣＰＵ）２９のメモリに記録される。一方、送信機１０においては、位相変調データとそのタイムスロット時刻が制御部（ＣＰＵ）１９のメモリに記録される。
【００３３】
図４は、送信機１０における位相変調方法を説明するための図である。この図４は、光電場の複素振幅Ｅを示す図で、横軸が振幅の実数部（Ｒｅ）、縦軸が虚数部（Ｉｍ）を表わす。この表示法では、原点からの長さが振幅の絶対値を、横軸との角度δが位相を表わすことになる。前述のように、レーザ光源１１からの出力光レベルは量子雑音のために揺らいでいる。複素空間で表わすと、ある点を中心に同心円状に拡がった状態となっている。図３の構成において、送信機１０は、位相変調器１８を介して、図４に示すように、２つの複素振幅状態を表わす２つの円の一部が重なり合うような位相状態である位相変調信号光を送信する。
【００３４】
受信機２０においては、受信信号光を局発光と合波する。信号光電場を
ＥＳ＝ＡＳexp[i(ωt ＋θＳ)]、局発光電場をＥＬ＝ＡＬexp[i(ωt＋θＬ)と表わすと、
一方の光検出器（ＤＥＴ０）２５への出力光は、
【００３５】
【数１】
2008066981.tif 000003
【００３６】
他方の光検出器（ＤＥＴ１）２６への出力光は、
【００３７】
【数２】
2008066981.tif 000004
【００３８】
となる。ここで、ＡＳ、ＡＬは振幅、θＳ、θＬは位相、ωは角周波数を表わす。光周波数は信号光と局発光とで同一とした。光検出器２５，２６では、光の強度が検出される。すなわち、光電場が二乗検波される。これにより、一方の光検出器２５からは
【００３９】
【数３】
2008066981.tif 000005
【００４０】
という信号が、他方の光検出器２６からは
【００４１】
【数４】
2008066981.tif 000006
【００４２】
という信号が出力される。ｋは光信号から電気信号への変換効率を表わす係数である。この２信号の差動検出出力は、
【００４３】
【数５】
2008066981.tif 000007
【００４４】
となる。
【００４５】
信号光の位相θＳは｛δ，−δ｝で変調されている。これに対し、局発光の位相はθＬ＝πに制御されているものとする。すると、差動検出出力は、θＳ＝δに対して
【００４６】
【数６】
2008066981.tif 000008
【００４７】
θＳ＝−δに対して
【００４８】
【数７】
2008066981.tif 000009
【００４９】
となる。ここで、光の振幅及び位相は量子雑音のため揺らいでおり、そのため差動検波出力は上式（１）、（２）の値を中心に揺らぐことになる。図５に、その出力値分布（出力値の確率分布）を示す。送信信号光の２状態の一部が図４に示すように重なり合っていることを反映して、一部重なり合った信号分布となる。
【００５０】
差動検出出力は識別器２８に入力されて、２種類のしきい値により並列にまたは順次に識別される。識別器２８の一方のしきい値（しきい値０）は、図５に示すように、Ｉout（−δ）よりも小さいレベル（信号レベル）に設定されており、このしきい値よりも小さい信号を識別器２８は選択して制御部２９へ出力する。識別器２８の他方のしきい値（しきい値１）は、Ｉout（δ）よりも大きいレベル（信号レベル）に設定されており、このしきい値よりも大きい信号を識別器２８は選択して制御部２９へ出力する。制御部２９はこれらの信号のタイムスロット時刻と後述のビット値をメモリに記録しておく。
【００５１】
本発明の第２実施例形態における以上の受信特性は、本発明の第１実施例形態における送信レベルＩ0の信号を位相値−δの信号に、送信レベルＩ1の信号を位相値δの信号に、それぞれ対応されると、第１の実施形態の受信特性と等価となっている。したがって本実施形態によっても、第１の実施形態と同様にして、送信機１０と受信機２０は同じビット列を生成し、生成したビット列を秘密鍵とすることができる。生成した秘密鍵の秘匿性が保証されているのも第１の実施形態と同様である。
【００５２】
なお、以上の構成では、２つの光検出器２５，２６からの出力信号を減算器２７を用いていったん差動検波した後に、２種類のしきい値により並列にまたは順次に識別するとした。これは、差動検波により光の過剰雑音（excess noise）が相殺される効果を得るためであるが、原理的には、各光検出器２５，２６からの出力信号を直接、識別器２８に入力する構成としてもよい。
【００５３】
（第３の実施形態）
上述の本発明の第２の実施形態を動作させるには、局発光源２２から発生する局発光の位相を、信号光位相を基準として一定に保つ必要があるが、これを実行するには高度な制御技術が必要である。そこで、本発明の第３の実施形態として、第２の実施形態における局発光制御の困難さを回避するように構成された例を示す。
【００５４】
図６に、本発明の第３の実施形態による秘密鍵配送システムの構成図を示す。送信機１０は、レーザ光源１１からのパルス光を光カップラ（Ｃ１）１２により２分岐し、分岐した一方のパルス光に遅延路１４を通すことで遅延を与えた後、光カップラ（Ｃ２）１３により再び他方のパルス光と合波する。これにより、２連続パルス光が生成される。そして、位相変調器１８は、この２連続パルスの一方のパルス（図６では、後ろのパルス）に対し、２値｛＋δ，−δ｝の位相変調を加えて、得られた変調データを伝送路３０を介して受信機２０へ送信するとともに、制御部（ＣＰＵ）１９に送る。制御部１９はその変調データのタイムスロット時刻と変調値をメモリに記録しておく。位相変調の値δは、第２の実施形態と同様に、量子雑音による信号状態の拡がりが一部重なり合う程度とする（図４参照）。
【００５５】
一方が位相変調された２連続パルス光は、伝送路３０を介して受信機２０に達する。受信機２０は、送られてきた信号光を光カップラ（Ｃ３）２３により２分岐し、分岐された一方の信号光に遅延路２０１によりパルス間隔に等しい時間遅延を、及びπ／２位相遅延器２０２によりπ／２の位相遅延を与えた後、２×２の光カップラ（Ｃ４）２４を用いて再び分岐された他方の信号光と合波する。光カップラ２４の２つの合波出力端子には、それぞれ光検出器２５，２６が接続されている。光検出器２５，２６からの２つの電気信号は減算器２７により差動検出される。この差動検出出力は識別器２８に入力されて、２種類のしきい値により並列にまたは順次に識別され、識別器２８からの識別出力（タイムスロット時刻および変調値）は制御部２９のメモリに記録される。
【００５６】
受信機２０においては、２連続パルスを分岐・遅延回路２３，２０１，２０２に通すことにより、３つのタイムスロットで光が検出されることになる。このうち、真ん中のタイムスロットでは、長経路を通った第１パルスと短経路を通った第２パルスとが干渉する。この干渉の結果、第１の光検出器（ＤＥＴ０）２５からは
【００５７】
【数８】
2008066981.tif 000010
【００５８】
という信号Ｉ０が出力され、第２の光検出器（ＤＥＴ１）２６からは
【００５９】
【数９】
2008066981.tif 000011
【００６０】
という信号Ｉ１が出力される。ここで、Ｅ0とθ0は第１パルスの複素振幅とその位相、ＥＳとθＳは第２パルスの複素振幅とその位相、Ａは振幅の絶対値で、２パルスで等しいものとしている。ｋは光信号から電気信号への変換効率を表わす係数である。
【００６１】
この２信号の差動検出出力Ｉoutは、
【００６２】
【数１０】
2008066981.tif 000012
【００６３】
となる。
【００６４】
第２パルス光の位相θＳは｛δ，−δ｝で変調されている。一方、第１パルス光は無変調であり、θ0＝０である。したがって、差動検出出力は、θＳ＝δに対して
【００６５】
【数１１】
2008066981.tif 000013
【００６６】
θＳ＝−δに対して
【００６７】
【数１２】
2008066981.tif 000014
【００６８】
となる。上式（３）、（４）の出力特性は、第２の実施形態の式（１）、（２）の出力特性と同様である。したがって、真ん中のタイムスロットの検出信号に対し、第２の実施形態と同様の処理を行えば、秘密鍵を得ることができる。
【００６９】
本実施形態では、元が同じ光である２パルスを干渉させているので、両者の位相関係は特別な制御をすることなしに一定に保たれるという利点を有する。
【００７０】
（第４の実施形態）
上記の本発明の第３の実施形態では、受信信号光のうちの真ん中のタイムスロットの信号光のみを利用して、第１及び第３のタイムスロットの信号は無視している。これは、信号光パワーを一部無駄にしていることと等価であるといえる。そこで、本発明の第４の実施形態では、第３の実施形態と類似の形態でありながらも、信号光パワーを有効利用するように構成された例を示す。
【００７１】
図７に、本発明の第４の実施形態による秘密鍵配送システムの構成を示す。送信機１０のレーザ光源１１は、横直線偏波光を出力するものとする。送信機１０は、光源１１からのパルス光を光カップラ（Ｃ１）１２により２分岐し、分岐された一方のパルス光に遅延路１４により遅延を与え、かつ偏波回転子１６により横直線偏波を縦直線偏波に変換した後、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）１５により再び他方のパルス光と合波する。これにより、第１パルスが横偏波、第２パルスが縦偏波である２連続パルス光が生成される。そして、送信機１０は、この２連続パルスの一方のパルス（図６では、後ろのパルス）に対し、位相変調器１８により２値｛＋δ，−δ｝の位相変調を加えて、伝送路３０を介して受信機２０へ送信するとともに、変調データ（タイムスロット時刻と２値の値）を制御回路１９のメモリに記録しておく。位相変調の値δは、前述の第２の第３の実施形態と同様に、量子雑音により信号分布が一部重なり合う程度とする（図４参照）。
【００７２】
一方のパルス光のみが位相変調された２連続パルス光は、伝送路３０を介して受信機２０に達する。受信機２０は、送られてきた信号光を偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ２）２０４に入力する。ここで、偏波ビームスプリッタ２０４への入力状態は、第１パルスが縦偏波、第２パルスが横偏波であるように制御されているものとする。これにより、第１パルスと第２パルスは分離されて偏波ビームスプリッタ２０４から出力される。そして、分離された出力のうち、第１パルスに対して、遅延路０１によりパルス間隔に等しい時間遅延を、及びπ／２位相遅延器２０５によりπ／２の位相遅延を与え、かつ偏波回転子２０５により偏波状態を縦直線から横直線へ変換した後、２×２の光カップラ２４を用いて２パルスを再び合波する。光カップラ２４の２つの合波出力端子にはそれぞれ光検出器２５，２６が接続されている。これら光検出器２５，２６からの２つの電気信号は減算器２７により差動検出される。この差動検出出力は識別器２８に入力されて、２種類のしきい値により並列にまたは順次に識別され、識別器２８からの識別出力（タイムスロット時刻とビット値）は制御部２９のメモリに記録される。
【００７３】
以上のように構成すると、受信機２０において、伝送されてきた２連続パルスはひとつの時間位置でのみ重なり合って干渉することとなる。したがって、信号光パワーを無駄にすることなく、第３の実施形態と同様にして秘密鍵を得ることができる。
【００７４】
（第５の実施形態）
上記の第３及び第４の実施形態では、送信機１０側に光の分岐・合波回路１２，１３（１５）が用いられている。本発明の第５の実施形態は、第３の第４の実施形態と同様の動作原理を、より簡便な送信機１０構成で実施するように構成している。
【００７５】
図８に、本発明の第５の実施形態による秘密鍵配送システムの構成を示す。送信機１０のレーザ光源１１は、コヒーレントな連続光を出力するものとする。送信機１０は、この連続光に対し、位相変調器１８により、｛＋δ，−δ｝の位相変調を加える。そして、位相変調光を伝送路３０へ出力するとともに、変調データ（タイムスロット時刻と変調値）を制御回路１９のメモリに記録しておく。位相変調の位相値δは、前述の第２、第３、および第４の実施形態と同様に、量子雑音により信号分布が一部重なり合う程度とする（図４参照）。
【００７６】
位相変調された連続光は、伝送路３０を介して受信機２０に達する。受信機２０は、送られてきた信号光を２×２光カップラ２３により２分岐し、一方の分岐光に遅延路０１により位相変調の時間幅に等しい時間遅延を、及びπ／２位相遅延器２０２によりπ／２の位相遅延を与えた後、２×２の光カップラ２４を用いて再び他方の分岐光と合波する。２×２の光カップラ２４の２つの合波出力端子にはそれぞれ光検出器２５、２６が接続されている。これら光検出器２５，２６からの２つの電気信号は減算器２７により差動検出される。この差動検出出力は識別器２８に入力されて、２種類のしきい値により並列にまたは順次に識別され、識別器２８からの識別出力（タイムスロット時刻とビット値）は制御部２９のメモリに記録される。
【００７７】
以上の構成により、受信機２０においては、隣り合うタイムスロットの光が干渉する（図８参照）。この干渉の結果、第１の光検出器（ＤＥＴ０）２５からは
【００７８】
【数１３】
2008066981.tif 000015
【００７９】
という信号Ｉ０が出力され、第２の光検出器（ＤＥＴ１）２６からは
【００８０】
【数１４】
2008066981.tif 000016
【００８１】
という信号Ｉ１が出力される。ここで、Ｅiとθiはｉ番目のタイムスロットの信号光の複素振幅とその位相、Ｅi+1とθi+1は（ｉ＋１）番目のタイムスロットの複素振幅とその位相、Ａは振幅の絶対値である。ｋは光信号から電気信号への変換効率を表わす係数である。
【００８２】
この２信号Ｉ０，Ｉ１の差動検出出力Ｉｏｕｔは、
【００８３】
【数１５】
2008066981.tif 000017
【００８４】
となる。ここで、各スロットの信号光は｛＋δ，−δ｝で位相変調されているので、（θi+1−θi）は、＋２δまたは０または−２δとなる。これに従い、差動検出出力Ｉｏｕｔは、前後の位相差が＋２δの時に、
【００８５】
【数１６】
2008066981.tif 000018
【００８６】
となり、前後の位相差が０の時に、
【００８７】
【数１７】
2008066981.tif 000019
【００８８】
となり、前後の位相差が−２δの時に、
【００８９】
【数１８】
2008066981.tif 000020
【００９０】
となる。これらの差動検出出力Ｉｏｕｔ（２δ）、Ｉｏｕｔ（０）、Ｉｏｕｔ（−２δ）は、出力信号の中心値であり、実際のその出力レベルは量子雑音のために、その中心値のまわりに分布する。図９に、その出力レベル分布を示す。図９において、水平軸の信号レベルに直交する垂直軸は、差動検出出力の起こりうる確率、または発生頻度を表す。
【００９１】
差動検出出力は識別器２８に入力されて、２種類のしきい値により並列にまたは順次に識別される。識別器２８の第１のしきい値（しきい値０）は、図９に示すように、Ｉout（−２δ）よりも小さいレベルに設定されており、識別器２８はこの設定値よりも小さい信号を選択して制御部２９へ出力する。識別器２８の第２のしきい値（しきい値１）は、Ｉout（２δ）よりも大きいレベルに設定されており、識別器２８はこの設定値よりも大きい信号を選択して制御部２９へ出力する。制御部２９はこれらの出力信号を、しきい値を超えた信号として、そのタイムスロット時刻と、どちらのしきい値を超えたかを示す情報をメモリに記録しておく。
【００９２】
以上の構成を用いて、送信機１０と受信機２０は、以下の手順のより秘密鍵を生成する。まず、送信機１０と受信機２０は上記方法のより信号光を送受信する。次に、受信機２０は、しきい値を超えた信号の受信タイムスロット時刻を、伝送路４０を介して送信機１０へ通知する。但し、どちらのしきい値を超えたかは知らせない。送信機１０は、制御部１９において、通知された受信タイムスロット時刻に対応する２連続送信スロットの位相差が、２δの場合にはビット「１」を割り当て、−２δの場合にはビット「０」を割り当てる。位相差が０のスロットについては何もしない。次に、送信機１０の制御部１９は、ビットを生成したタイムスロット時刻を、伝送路４０を介して受信機２０に通知する。受信機２０の制御部２９は、送信機１０から通知されたスロット時刻について、識別器２８の出力信号がしきい値１よりも大きい場合にはビット「１」を、識別器２８の出力信号がしきい値０よりも小さい場合にはビット「０」を割り当てる。
【００９３】
以上の手順により、これまでの第１〜第４の実施形態と同様にして、送信機１０と受信機２０は秘密鍵を生成することができる。量子雑音のため生成した秘密鍵の秘匿性が保証されているのもこれまでと同様である。
【００９４】
第５実施形態は、受信機２０においてしきい値を超えた信号でも位相差が０である信号は廃棄している点が、第１〜第４の実施形態とは異なっている。その分だけ鍵生成効率が低いという欠点があるように一見みえるが、送信機１０の構成が簡便であって、時間軸を有効利用している、など実用上の利点を有している。
【００９５】
なお、以上の説明では、送信機１０においては、連続コヒーレント光を位相変調するものとしたが、一定間隔のパルス光列を位相変調してもよい。
【００９６】
（他の実施の形態）
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の第１の実施形態における秘密鍵配送システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における変調方法および信号の判別方法を説明するための概念図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における秘密鍵配送システムの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態における変調方法を示す模式図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における復調信号分布を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態における秘密鍵配送システムの構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第４の実施形態における秘密鍵配送システムの構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第５の実施形態における秘密鍵配送システムの構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第５の実施形態における復調信号分布を示す図である。
【図１０】従来技術の秘密鍵配送システムの基本構成を示すブロック図である。
【図１１】強度変調を用いた従来の秘密鍵配送システムにおける変調方法を説明するための概念図である。
【図１２】強度変調を用いた従来の秘密鍵配送システムにおける各モードでの信号の判別方法を説明するための概念図である。
【図１３】強度変調を用いた従来の秘密鍵配送システムにおいて、モード情報をもたない盗聴者の判別方法を説明するための概念図である。
【符号の説明】
【００９８】
１０  送信機
１１  レーザ光源
１２  光カップラ（Ｃ１）
１３  光カップラ（Ｃ２）
１４  遅延路
１５  偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）
１６  偏波回転子
１７  強度変調器
１８  位相変調器
１９  制御部、制御回路（ＣＰＵ）
２０  受信機
２１  光検出器（ＤＥＴ）
２２  局発光源
２３  ２×２光カップラ（Ｃ３）
２０１  遅延路
２０２  π／２位相遅延器
２０３  偏波制御部
２０４  偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ２）
２０５  偏波回転子
２４  光カップラ（Ｃ４）
２５  光検出器（ＤＥＴ０）
２６  光検出器（ＤＥＴ１）
２７  減算器
２８  識別器
２９  ＣＰＵ
３０  伝送路
４０  伝送路
【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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