(57)【要約】【課題】往復型光学系を特徴とする量子暗号通信装置において、量子暗号の性能等を低下させることなく、後方散乱光の影響を回避する。【解決手段】受信側端末１０２のレーザ光源１２１で発生するパルス光（信号光Ｐ１、参照光Ｐ２）は、通信路１０３を介して送信側端末１０１に送信され、そのパルス光が再度通信路１０３を介して受信側端末１０２に戻ってくる。音響光学素子１１１は、信号光Ｐ１を平均光子数が１個程度の微弱光になるように減衰すると共に、信号光Ｐ１および参照光Ｐ２の周波数を高い方向にシフトする。受信側端末１０２において、信号光Ｐ１、参照光Ｐ２の周波数は、光ファイバ内で発生する、周波数が同じか、低くなる後方散乱光の周波数とはずれたものとなる。これにより、信号光Ｐ１と参照光Ｐ２との干渉に対する雑音となる、参照光Ｐ２と後方散乱光との干渉が抑制される。【選択図】図１
2008205667.tif 000002
【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量子暗号通信装置であって、
受信側通信端末と、送信側受信端末と、上記受信側通信端末および上記送信側通信端末とを結ぶ通信路とを備え、
上記受信側通信端末は、
パルス光を発生する光源と、
上記光源から発生されるパルス光を信号光および参照光に分岐する光分岐部と、
第１の光路と、
第２の光路と、
上記第１の光路または上記第２の光路に挿入される遅延器と、
上記光分岐部で分離され、上記第１の光路を通過した上記信号光、および上記光分岐部で分離され、上記第２の光路を通過した上記参照光を上記通信路に送出する第１の光送出部と、
上記通信路を介して上記送信側の通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を分離する光分離部と、
上記光分離部で分離され、上記第１の光路を通過する上記参照光または上記第２の光路を通過する信号光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第１の位相変調器と、
上記光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記参照光、および上記光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記信号光に基づいて通信情報を取得する通信情報取得部を有し、
上記送信側通信端末は、
上記通信路を介して上記受信側通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を所定の光路を介して上記通信路に送出する第２の光送出部と、
上記所定の光路を通る上記信号光および上記参照光の周波数をシフトする周波数シフト部と、
上記所定の光路を通る上記信号光のレベルを減衰させる光減衰部と、
上記所定の光路を通る上記信号光にパルス毎に通信情報に対応した位相変調を加える第２の位相変調器を有し、
上記周波数シフト部および上記光減衰部は単一の音響光学素子で構成される
ことを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項２】
上記周波数シフト部は、上記信号光および上記参照光の周波数を高い方にシフトする
ことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信装置。
【請求項３】
上記通信情報取得部は、上記信号光および上記参照光に対してホモダイン検出器を用いたホモダイン検出処理を行うことにより上記通信情報を取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信装置。
【請求項４】
上記ホモダイン検出器の光入射側に、上記周波数シフト部により周波数シフトされた上記信号光および上記参照光の周波数帯域に合わせた通過帯域を持つフィルタを設置する
ことを特徴とする請求項３に記載の量子暗号通信装置。
【請求項５】
上記通信情報取得部は、上記信号光および上記参照光に対して単一光子検出器を用いた単一光子検出処理を行うことにより上記通信情報を取得し、
上記単一光子検出器の光入射側に、上記周波数シフト部により周波数シフトされた上記信号光の周波数帯域に合わせた通過帯域を持つフィルタを設置する
ことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信装置。
【請求項６】
上記光源から発生されるパルス光のパルス幅Ｔおよび上記周波数シフト部における周波数シフト量ｆａは、Ｔ・ｆａが整数または整数近辺の値となるように設定されている
ことを特徴とする請求項１に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量子暗号通信装置の送信側で使用される通信端末であって、
通信路を介して受信側の通信端末から送られてくる、時間差を持つ信号パルス光および参照パルス光を所定の光路を介して上記通信路に送出する光送出部と、
上記所定の光路を通る上記信号パルス光および上記参照パルス光の周波数をシフトする周波数シフト部と、
上記所定の光路を通る上記信号パルス光のレベルを減衰させる光減衰部と、
上記所定の光路を通る上記信号パルス光にパルス毎に通信情報に対応した位相変調を加える位相変調器を有し、
上記周波数シフト部および上記光減衰部は単一の音響光学素子で構成される
ことを特徴とする通信端末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置および通信端末に関する。詳しくは、この発明は、往復型光学系を特徴とする量子暗号通信装置において、送信側に信号光および参照光の周波数をシフトする周波数シフト部を設けると共に、当該周波数シフト部と信号光のレベルを減衰させる光減衰部を単一の音響光学素子で構成することにより、量子暗号の性能等を低下させることなく、後方散乱光の影響を回避できるようにした量子暗号通信装置および通信端末に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
第三者への情報漏洩を防ぐ手法として、ＲＳＡ符号、ＥＩＧａｍａｌ暗号などの公開鍵暗号、ＡＥＳ，ＤＥＳなどの秘密鍵暗号がある。前者は、安全性が素因数分解問題、離散対数問題の困難さに起因している。そのため、量子コンピュータによる解読、あるいは未知の攻撃の脅威にさらされている。後者は、予め秘密鍵を送受信者が共有する必要があるため、通常は前者の手法を用いて鍵交換を行う。さらに、前者と同様に、攻撃手法が日々進化しているため、将来、効率的な解読法が出現する可能性がある。一般に、これらは計算量的安全性に基づく暗号と言われている。
【０００３】
二者間で安全に秘密鍵を共有する手段として量子鍵配布プロトコル(ＱＫＤ：Quantum Key Distribution)が知られている。ＱＫＤでは、単一光子またはレーザ光を減衰させた微弱光に情報を付加するため、不確定性原理や非複製定理により、第三者による盗聴が露見することで、安全性を保証している。
【０００４】
このＱＫＤは、微弱光検出の方法により二種類に分類できる。一方は、アバランシェフォトダイオード(ＡＰＤ)等の単一光子検出器を用いて単一光子検出を行うことを特徴とする単一光子方式ＱＫＤである。もう一方は、フォトダイオード（ＰＤ)からなるホモダイン検出器を用いる連続変数方式ＱＫＤである。
【０００５】
従来、これらの手法を実現する様々な光学系が提案されている。その中でも、プラグアンドプレイ方式と呼ばれる手法が注目を集めている（非特許文献１，２参照）。この光学系の特徴は、情報が付加される信号光、干渉に用いられる参照光が往復伝送路を辿ることである。偏光を光路選択に利用することで、信号光と参照光が同一光路を辿ることが可能となり、光路調整が必要なくなる。また、偏光揺らぎの大きい光ファイバ上を往復で辿るため、偏光揺らぎが往復伝送後は相殺される。そのため、偏光補正の必要はない。
【０００６】
しかし、往復通信路を用いているため、主にファイバ中で発生する後方散乱光が、常時検出器に入射することになる。そのため、後方散乱光が、情報が付加された信号光に対する雑音となる（非特許文献３参照）。
【０００７】
単一光子方式ＱＫＤでは、ＡＰＤを用いるため、後方散乱光が単一光子レベルでも反応し、正規の信号光検出に直接悪影響を及ぼす。また、連続変数方式ＱＫＤでは、散乱光が、信号光と比較して強度の強い参照光と干渉するため、余分な雑音となっていた。従来は信号光が検出器に入射する時に、後方散乱光が同時に入射しないように、パルス光源の繰り返し周波数を低下させるか、パルス列を一定間隔毎に送信することで、この問題を回避してきた。しかし、これらの手法では、長距離化するほど、情報送信レートが低下する問題があった。
【０００８】
例えば、特許文献１には、送信側に周波数シフタ（固定周波数ｆ１のＲＦ信号で駆動される光位相変調器）を追加すると共に、受信側の光子検出器の前に各々特定の周波数のみを透過するフィルタを追加し、後方散乱光の影響を回避することが提案されている。
【非特許文献１】A.  Muller，T. Herzog， B. Huttner， W. Tittel， H. Zbinden，and N. Gisin， Appl. Phys. Lett.， 70，793 (1997).
【非特許文献２】M. Legre，H.Zbinden，and N. Gisin，QuantumInf. and Comp.，6，326 (2006).
【非特許文献３】D. Subacius，A. Zavriyev，and A. Trifonov，Appl. Phys. Lett.，86，011103 (2005).
【特許文献１】特開２００５−２６８９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の特許文献１に記載される技術では、送信側の通信端末においては、以下のような不都合がある。
【００１０】
１.量子暗号では微弱な信号光を強度の強い参照光と干渉させることにより測定が行われる。周波数シフタ（光位相変調器）を新たに光路に追加したことにより、参照光の強度が低下し、受信側での測定時の過剰雑音が増加することから、量子暗号の安全性が低減する。
２．周波数シフタ（光位相変調器）を追加したことで、周波数シフト用の制御信号が新たに必要となる等、消費電力が増加し、装置も複雑となる。
３．周波数シフタ（光位相変調器）を光路に新たに追加したことにより、透過率変動が増し、微弱光を扱う量子暗号の性能に影響を及ぼすおそれがある。
【００１１】
この発明の目的は、量子暗号の安全性、性能等に影響を与えることなく、後方散乱光の影響を回避することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の概念は、
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置であって、
受信側通信端末と、送信側受信端末と、上記受信側通信端末および上記送信側通信端末とを結ぶ通信路とを備え、
上記受信側通信端末は、
パルス光を発生する光源と、
上記光源から発生されるパルス光を信号光および参照光に分岐する光分岐部と、
第１の光路と、
第２の光路と、
上記第１の光路または上記第２の光路に挿入される遅延器と、
上記光分岐部で分岐され、上記第１の光路を通過した上記信号光、および上記光分岐部で分岐され、上記第２の光路を通過した上記参照光を上記通信路に送出する第１の光送出部と、
上記通信路を介して上記送信側通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を分離する光分離部と、
上記光分離部で分離され、上記第１の光路を通過する上記参照光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第１の位相変調器と、
上記光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記参照光、および上記光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記信号光に基づいて通信情報を取得する通信情報取得部を有し、
上記送信側通信端末は、
上記通信路を介して上記受信側通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を所定の光路を介して上記通信路に送出する第２の光送出部と、
上記所定の光路を通る上記信号光および上記参照光の周波数をシフトする周波数シフト部と、
上記所定の光路を通る上記信号光のレベルを減衰させる光減衰部と、
上記所定の光路を通る上記信号光にパルス毎に通信情報に対応した位相変調を加える第２の位相変調器を有し、
上記周波数シフト部および上記光減衰部は単一の音響光学素子で構成される
ことを特徴とする量子暗号通信装置にある。
【００１３】
この発明において、量子暗号通信装置は、受信側通信端末と、送信側通信端末と、これらの通信端末を結ぶ光ファイバ、あるいは自由空間からなる通信路とを備えている。受信側端末の光源から発生されるパルス光は光分岐部で信号光および参照光に分岐される。信号光は第１の光路を通過して通信路に送出される。参照光は第２の光路を通過して通信路に送出される。これにより、第１の光路または第２の光路に遅延器が挿入されているので、信号光および参照光は時間差を持った状態で通信路に送出される。
【００１４】
送信側通信端末には、通信路を介して上述の参照光および信号光が送られてくる。これら参照光および信号光は所定の光路を介して再び通信路に送出される。この場合、この所定の光路を通る信号光は光減衰部により減衰され、通信路に送出される信号光強度は微弱とされる。なお、この所定の光路を通る参照光は減衰されず、通信路に送出される参照光は比較的強度の強いものとなる。
【００１５】
また、この所定の光路を通過する信号光および参照光の周波数は周波数シフト部によりシフトされる。この場合、受信側で、光源から発生されるパルス光と、周波数が同じか、低くなる後方散乱光との干渉が確実に抑制される。ここで、周波数シフト部および光減衰部は、単一の音響光学素子で構成される。この場合、光減衰部および周波数シフト部を別個の光学素子で構成するものでなく、上述したように周波数シフト部を設けたとしても、参照光の強度は低下せず、受信側での測定時の過剰雑音を増加させることがなく、量子暗号の安全性が低減することはない。
【００１６】
また、この場合、光減衰部および周波数シフト部を単一の音響光学素子で構成するため、上述したように周波数シフト部を設けたとしても、光減衰用の制御信号の他に周波数シフト用の制御信号が必要となることはなく、例えば、周波数シフトのための励起光が必要となることもなく、消費電力が増加し、装置も複雑となるということはない。また、この場合、光減衰部および周波数シフト部を別個の光学素子で構成するものでなく、上述したように周波数シフト部を設けたとしても、透過率変動が増すということがなく、微弱光を扱う量子暗号の性能に影響を及ぼすということはない。
【００１７】
また、送信側通信端末において、第２の位相変調器により、所定の光路を通る信号光に、パルス毎に、通信情報に対応した位相変調が加えられる。これにより、送信側通信端末から通信路に再送出される信号光は秘密情報が位相変調量として載せられたものとなる。
【００１８】
受信側通信端末には、通信路を介して上述の参照光および信号光が送られてくる。参照光および信号光は光分離部で分離される。上述したように参照光および信号光をこの受信側通信端末から送信側通信端末に送る際には、信号光が第１の光路を通過し、参照光が第２の光路を通過するようにされるが、送信側通信端末から受信側通信端末に送り返されたものに関しては、参照光が第１の光路を通過し、信号光が第２の光路を通過するようにされる。これにより、信号光および参照光は、通信情報取得部に同時刻に到達する。
【００１９】
また、第１の位相変調器により、第１の光路を通る参照光、または、第２の光路を通る信号光に、パルス毎に、ランダムな位相変調が加えられる。通信情報取得部では、第１の光路を通過した参照光および第２の光路を通過した信号光に基づいて、通信情報が取得される。この通信情報取得部では、例えば、信号光および参照光に対してホモダイン検出器を用いたホモダイン検出処理を行うことにより通信情報が取得される。
【００２０】
上述したように送信側通信端末の周波数シフト部において、信号光および参照光の周波数がシフトされていることから、通信情報取得部に入ってくる信号光および参照光の周波数は、当該通信情報取得部に入ってくる後方散乱光の周波数とは異なったものとなる。そのため、後方散乱光が参照光と干渉することが防止され、後方散乱光の影響が抑制される。この場合、例えば、ホモダイン検出器の入射側に、上述したように周波数シフトされた信号光および参照光の周波数帯域に合わせた通過帯域を持つ周波数フィルタが設置されるようにしてもよい。
【００２１】
また、通信情報取得部では、例えば、信号光および参照光に対して単一光子検出器を用いた単一光子検出処理を行うことにより通信情報が取得される。この場合、単一光子検出器の入射側に、上述したように周波数シフトされた信号光および参照光の周波数帯域に合わせた通過帯域を持つ周波数フィルタが設置される。これにより、単一光子検出器には後方散乱光は入射されず、後方散乱光の影響が抑制される。
【００２２】
また、この発明においては、例えば、光源から発生されるパルス光のパルス幅Ｔおよび周波数シフト部における周波数シフト量ｆａは、Ｔ・ｆａが整数または整数近辺の値となるように設定されるようにしてもよい。この場合、後方散乱光と参照光の周波数が異なることによって発生するヘテロダイン検波出力の影響を小さくすることが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、往復型光学系を特徴とする量子暗号通信装置において、送信側に信号光および参照光の周波数をシフトする周波数シフト部を設けると共に、当該周波数シフト部と信号光のレベルを減衰させる光減衰部を単一の音響光学素子で構成するものであり、量子暗号の性能等を低下させることなく、後方散乱光の影響を良好に回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
「連続変数方式量子鍵配布プロトコルにおける実施形態」
図１は、第１の実施の形態としての量子暗号通信装置１００の構成を示している。この量子暗号通信装置１００は、連続変数方式量子鍵配布プロトコルに対応している。この量子暗号通信装置１００は、送信側通信端末１０１と、受信側通信端末１０２と、これら２つの通信端末を結ぶ光ファイバ等の通信路１０３からなっている。
【００２５】
受信側通信端末１０２は、レーザ光源１２１、サーキュレータ１２２、ホモダイン検出器１２３、分岐比１対１のカプラ１２４、位相変調器１２５、遅延用ファイバ１２６および偏光カプラ１２７を有している。ここで、カプラ１２４は光分岐部を構成し、位相変調器１２５は第１の位相変調器を構成し、遅延用ファイバ１２６は遅延器を構成し、偏光カプラ１２７は第１の光送出部および光分離部を構成し、ホモダイン検出器１２３は通信情報取得部を構成している。また、カプラ１２４から位相変調器１２５を介して偏光カプラ１２７に至る光路は第１の光路を構成し、カプラ１２４から遅延用ファイバ１２６を介して偏光カプラ１２７に至る光路は第２の光路を構成している。
【００２６】
送信側通信端末１０２は、音響光学素子１１１、位相変調器１１２およびファラデーミラー１１３を有している。音響光学素子１１１は光減衰部、周波数シフト部および第２の光送出部を構成し、位相変調器１１２は第２の位相変調器を構成している。
【００２７】
この量子暗号通信装置１００を用いることで、例えば、４状態の位相変調された微弱コヒーレント状態を用いる方式（第１の方式）、任意のコヒーレント状態と任意の位相方向で測定する方式（第２の方式）、ガウス変調したコヒーレント状態を用いる方式（第３の方式）によるＱＫＤ（量子鍵配布プロトコル）を行うことが可能である。なお、第１の方式は、例えば、「特開２００５−２８６４８５号公報」等に記載されている。また、第２の方式は、例えば、「特開２００６−１０９２６５号公報」等に記載されている。また、第３の方式は、例えば、「F. Grosshans, G. V. Assche, J. Wenger, R. Tualle-Brouri, N. J. Cerf,and P. Grangier, Nature, 423, 238 (2003)」等に記載されている。
【００２８】
以下、量子暗号を適用した通信処理の動作シーケンスに従って、各構成部における処理の詳細を説明する。受信側通信端末１０２のレーザ光源１２１で発生するパルス光が、通信路１０３を介して送信側通信端末１０１に送信され、そのパルス光が再度通信路１０３を介して受信側通信端末１０２に戻ってくるという順番で動作するので、その順番に従って説明する。
【００２９】
受信側通信端末１０２のレーザ光源１２１から出射したパルス光は、サーキュレータ１２２を通過し、分岐比が１対１のカプラ１２４へ入射する。サーキュレータ１２２は、レーザ光源１２１からの光がカプラ１２４へ出力され、カプラ１２４から戻ってきた光がホモダイン検出器１２３へ出力されるように光路制御を実行する。
【００３０】
レーザ光源１２１から出射したパルス光は、カプラ１２４において、パルス光Ｐ１と、パルス光Ｐ２とに分岐される。カプラ１２４で分岐されたパルス光Ｐ１は、位相変調器１２５を介して偏光カプラ１２７に入射される。ただし、このときには、位相変調器１２５は動作させない。一方、カプラ１２４で分岐されたパルス光Ｐ２は、遅延ファイバ１２６を介して偏光カプラ１２７に入射される。
【００３１】
以下、この実施の形態においては、パルス光Ｐ１を信号光とし、パルス光Ｐ２を参照光として説明する。しかし、パルス光Ｐ１を参照光とし、パルス光Ｐ２を信号光とする構成も可能である。また、遅延ファイバ１２６を位相変調器１２５側の光路上に設置する光学系も可能である。
【００３２】
パルス光Ｐ１（以下、「信号光Ｐ１」という）およびパルス光Ｐ２（以下、「参照光Ｐ２」という）は、偏光カプラ１２７の入射時に、一方が水平偏光であるとき他方は垂直偏光である設定となっている。例えば、信号光Ｐ１は水平偏光とされ、参照光Ｐ２は垂直偏光とされる。信号光Ｐ１、参照光Ｐ２は偏光カプラ１２７を通して通信路１０３に入力される。ただし、遅延ファイバ１２６により、信号光Ｐ１は、参照光Ｐ２より先に、通信路１０３に入力される。図では、受信側通信端末１０２から送信側通信端末１０１へ向かう信号光Ｐ１、参照光Ｐ２を実線矢印で示し、送信側通信端末１０１から受信側通信端末１０２へ戻る信号光Ｐ１、参照光Ｐ２を点線矢印で示している。
【００３３】
受信側通信端末１０２から送られてくる信号光Ｐ１、参照光Ｐ２は、通信路１０３から送信側通信端末１０１に入射される。送信側通信端末１０１において、通信路１０３から入射された信号光Ｐ１、参照光Ｐ２は、音響光学素子１１１、位相変調器１１２、ファラデーミラー１１３の順にたどる。そして、これら信号光Ｐ１、参照光Ｐ２は、ファラデーミラー１１３による偏光回転、反射を経た後、位相変調器１１２、音響光学素子１１１を再び通過して、当該音響光学素子１１１から通信路１０３に出射される。
【００３４】
この送信側通信端末１０１において、信号光Ｐ１は、音響光学素子１１１により減衰されると共に、位相変調器１１２により通信情報に基づいて位相変調される。上述の第１、第２の方式では、信号光Ｐ１は、出射時の平均光子数が、例えば１個程度になるように音響光学素子１１１により減衰される。また、上述の第１の方式では、信号光Ｐ１は、パルス毎に、φＡ∈｛０，π／２，π，３π／２}の中からランダムに１つが選択されて、位相変調器１１２により位相変調される。また、上述の第２の方式では、様々なプロトコルが存在する。例えば、３状態３位相方向の測定を行うプロトコルでは、信号光Ｐ１は、パルス毎に、φＡ∈｛０，２π／３，４π／３｝中からランダムに１つが選択されて、位相変調器１０２により位相変調される。
【００３５】
また、上述の第３の方式では、パルス毎に、ガウス分布（平均値は０、  分散は適切な値）に従って、直交位相振幅座標ｘ，ｐの各軸の値が選択される。そして、信号光Ｐ１は、出射時の平均光子数が、ｘ２＋ｐ２となるように音響光学素子１１１により減衰される。また、信号光Ｐ１は、位相変調器１１２により、パルス毎に、ｔａｎ−１（ｐ／ｘ）の位相変調が行われる。
【００３６】
また、送信側通信端末１０１において、信号光Ｐ１および参照光Ｐ２は、音響光学素子１１１により、その周波数がシフトされる。上述したように、音響光学素子１１１は、光減衰部および周波数シフト部を構成している。
【００３７】
図２は、音響光学素子１１１の具体的な構造を示している。この音響光学素子１１１は、音響光学結晶１１１ａに振動子１１１ｂが接着した構成となっている。図２は、振動子１１１ｂに電気信号（周波数信号）が印加されることで、音響光学結晶１１１ａ内に音響波が発生し、当該音響光学結晶１１１ａ内に屈折率の疎密が発生した状態を示しており、当該音響光学結晶１１１ａへの入射光が、音響波による屈折率変化により０次回折光と１次回折光に分岐している。
【００３８】
図２に示す構造の音響光学素子１１１では、振動子１１１ｂに印加される電圧信号の振幅レベルの変化に対応して１次回折光のレベルが変化する。したがって、この音響光学素子１１１を光減衰部として機能させることができる。
【００３９】
また、図２に示す構造の音響光学素子１１１では、光と音波の相互作用の過程で、入射光の周波数をｆｉ、音響波の周波数をｆａとするとき、１次回折光の周波数は、ｆｄ＝ｆｉ＋ｆａという関係を満たすように周波数がｆａだけシフトする。ただし、入射光は、音響波に近づく方向で入射している。量子的描像では、入射光子１個とフォノン１個とが消滅し、新たな回折された光子1個が発生する過程と考えられる。その場合、エネルギー保存則を満たすため、周波数が高くなるようシフトしている。そのため、図３に示すように、音響光学素子１１１を通過することにより、パルス光のスペクトル分布は、中心周波数ｆｉの分布から、中心周波数ｆｄの分布へと変化する。したがって、この音響光学素子１１１を周波数シフト部として機能させることができる。
【００４０】
送信側通信端末１０１から通信路１０３を介して戻ってくる信号光Ｐ１、参照光Ｐ２は、当該通信路１０３から受信側通信端末１０２の偏光カプラ１２７に入射される。送信側通信端末１０１のファラデーミラー１１３によって偏光方向が回転され、また、通信路１０３を往復通過することにより、通信路１０３上での偏光揺らぎが相殺されることで、偏光カプラ１２７への入射直前では、信号光Ｐ１の偏光方向は垂直となり、参照光Ｐ２の偏光方向は水平となる。
【００４１】
そのため、信号光Ｐ１は、受信側通信端末１０２に戻ってきた後、偏光カプラ１２７から遅延ファイバ１２６を介してカプラ１２４に入射される。また、参照光Ｐ２は、受信側通信端末１０２に戻ってきた後、偏光カプラ１２７から位相変調器１２５を介してカプラ１２４に入射される。
【００４２】
ここで、上述の第１、第３の方式では、参照光Ｐ２は、パルス毎に、φＢ∈｛０，π／２}の中からランダムに１つが選択されて、位相変調器１２５により位相変調される。また、上述の第２の方式、例えば、３状態３位相方向の測定を行うプロトコルでは、参照光Ｐ２は、パルス毎に、φＢ∈｛π／２，−π／６，−５π／６｝の中からランダムに１つが選択されて、位相変調器１２５により位相変調される。
【００４３】
カプラ１２４と偏光カプラ１２７の間の信号光Ｐ１、参照光Ｐ２の経路については、受信側通信端末１０２から送信側通信端末１０１へ向かう場合と、逆に送信側通信端末１０１から受信側通信端末１０２へ戻った場合とで、入れ替わる。そのため、カプラ１２４には、信号光Ｐ１と参照光Ｐ２とが同時刻に到達する。
【００４４】
信号光Ｐ１と参照光Ｐ２とはカプラ１２４で干渉し、２つの端子から出射したパルス光は、一方はサーキュレータ１２２および光ファイバ１２８を介して、ホモダイン検出器１２３に入射され、もう一方は、光ファイバ１２９を介してホモダイン検出器１２３に入射される。このホモダイン検出器１２３では、カプラ１２４から出射したパルス光のそれぞれがフォトダイオードに入射され、各フォトダイオードの出力の差分がとられることで、ホモダイン検出情報、つまり通信情報が取得される。
【００４５】
図４は、ホモダイン検出器１２３の構成例を示している。図４において、ホモダイン検出器１２３は、２個のフォトダイオード１２３ａ，１２３ｂと、増幅器１２３ｃとにより構成されている。光ファイバ１２８の端子はフォトダイオード１２３ａに接続され、光ファイバ１２９の端子はフォトダイオード１２３ｂに接続されている。フォトダイオード１２３ａのアノード、フォトダイオード１２３ｂのカソードおよび増幅器１２３ｃの入力側は接続され、当該増幅器１２３ｃの出力側は図示していないデータ集積デバイスに接続されている。
【００４６】
図１に示す量子暗号通信装置１００においては、送信側通信端末１０１の音響光学素子１１１により、信号光Ｐ１、参照光Ｐ２の周波数が高い方向にシフトされ、当該周波数シフトされた信号光Ｐ１、参照光Ｐ２が受信側通信端末１０２に戻ってくる。そのため、当該信号光Ｐ１、参照光Ｐ２の周波数は、光ファイバ内で発生する、周波数が同じか、低くなる後方散乱光の周波数とはずれたものとなる。これにより、信号光Ｐ１と参照光Ｐ２との干渉に対する雑音となる、参照光Ｐ２と後方散乱光との干渉を抑制できる。
【００４７】
ここで、光ファイバ内で発生する後方散乱光についてさらに説明する。光ファイバ内では、光の入射に伴い、様々な散乱光が発生する（「G. P. Agrawal，“非線形ファイバー光学 (日本語訳)”, 吉岡書店 (1997).」参照）。散乱光の１つに、ファイバ作製の過程で融解石英ガラス中に生じたランダムな密度揺らぎに起因する屈折率揺らぎにより散乱されるレイリー散乱がある。このレイリー散乱は、量子鍵配布装置の大きな制約となることが知られている（「D. Subacius，A. Zavriyev，and A. Trifonov，Appl. Phys. Lett.，86，011103 (2005).」参照）。
【００４８】
レイリー散乱光は、入射光と同じ周波数を有する。また、ファイバ中の非線形効果に基づく散乱として、誘導ラマン散乱と誘導ブリユアン散乱が知られている。量子力学的な描像では、入射場の１個の光子が消滅し、周波数が低いストークス周波数を持つ光子１個とフォノン１個が同時に生成する過程となる。この新たに発生した光子が散乱光である。前者は光学モードのフォノンが寄与するのに対し、後者は音響モードのフォノンが寄与するという違いがある。
【００４９】
これらの散乱光が発生すると、連続変数方式ＱＫＤでは、参照光と後方散乱光との干渉が、本来観測したい信号光と参照光の干渉に対する雑音となる。参照光は、信号光と比較して平均光子数が多いため、たとえ微弱な後方散乱光であっても、その干渉が大きな影響を及ぼす。また、単一光子方式ＱＫＤでは、後方散乱光の強度が微弱であっても、ＡＰＤが反応するため、信号光検出に対する雑音となる。
【００５０】
また、図１に示す量子暗号通信装置１００においては、送信側通信端末１０１の音響光学素子１１１は、光減衰部の他に、周波数シフト部としても機能する。そのため、信号光Ｐ１、参照光Ｐ２の周波数をシフトする周波数シフト部を設けたとしても、光路に挿入される光学素子の個数が増加しないので参照光Ｐ２の強度は低下せず、従って、受信側通信端末１０２における測定時の過剰雑音を増加させることがなく、量子暗号の安全性が低減することはない。
【００５１】
また、図１に示す量子暗号通信装置１００においては、送信側通信端末１０１の音響光学素子１１１は光減衰部の他に、周波数シフト部としても機能する。そのため、周波数シフト部を設けたとしても、光減衰用の制御信号の他に周波数シフト用の制御信号が必要となることはなく、例えば、周波数シフトのための励起光が必要となることもなく、消費電力が増加し、装置も複雑となるということはない。
【００５２】
また、図１に示す量子暗号通信装置１００においては、送信側通信端末１０１の音響光学素子１１１は光減衰部の他に、周波数シフト部としても機能する。そのため、信号光Ｐ１、参照光Ｐ２の周波数をシフトする周波数シフト部を設けたとしても、光路に挿入される光学素子の個数が増加しないので透過率変動が増すということがなく、微弱光を扱う量子暗号の性能に影響を及ぼすということはない。
【００５３】
なお、図４に示すホモダイン検出器１２３の代わりに、図５に示すように、フォトダイオード１２３ａ，１２３ｂの直前にフィルタ１３０ａ，１３０ｂを挿入した構成も考えられる。この場合、フィルタ１３０ａ，１３０ｂの特性は、レーザ光源１２１から発生されるパルス光、後方散乱光、および後方散乱光と参照光Ｐ２の干渉により生じた光の透過率は低く、音響光学素子１１１により周波数シフトされた信号光Ｐ１と参照光Ｐ２の透過率は高くなるように設定される。つまり、フィルタ１３０ａ，１３０ｂは、周波数シフトされた信号光Ｐ１と参照光Ｐ２の周波数帯域に合わせた通過帯域を持つ。この図５に示すホモダイン検出器１２３を用いることで、余分な雑音成分が当該ホモダイン検出器１２３に入射することを防ぐことができ、本来観測したい干渉のみを測定することが可能となる。
【００５４】
ところで、上述したように参照光Ｐ２１と後方散乱光とは互いに周波数が異なるため、ヘテロダイン検波される。このヘテロダイン検波による干渉出力を軽減するための、周波数シフト量およびパルス幅の設定方法について説明する。
【００５５】
ヘテロダイン検波による干渉出力は、sin(２π（ｆｄ−ｆｉ）ｔ−φ)に比例する。ここで、ｔは時間、φは後方散乱光が様々なタイミングで検波されることによる参照光Ｐ２との位相差である。これを、レーザ光源１２１から発生されるパルス光のパルス幅Ｔについて積算し、後方散乱光の位相差φについて平均をとると、（１）式となる。
【００５６】
【数１】
2008205667.tif 000003
【００５７】
図１に示す量子暗号通信装置１００においては、上述の（１）式で表される干渉項の影響を小さくするために、ｆａ・Ｔが整数または整数近辺の値となるように、レーザ光源１２１から発生されるパルス光のパルス幅Ｔ、音響光学素子１１１における周波数シフト量ｆａが設定される。
【００５８】
「第１の方式を採用した量子暗号通信装置の具体例」
第１の方式、つまり４状態の位相変調された微弱コヒーレント状態を用いる方式を採用した量子暗号通信装置の具体例を説明する。図６は、第１の方式を採用した量子暗号通信装置１００Ａの構成例を示している。
【００５９】
この量子暗号通信装置１００Ａは、送信側通信端末１と、受信側通信端末２と、これら送信者側端末１および受信者側端末２を結ぶ光ファイバ等の通信路３とを備えている。この量子暗号通信装置１００Ａは、通信路３を介して、送信側通信端末１から受信側通信端末２に向けて秘密情報（通信情報）を送信する。この秘密情報は、例えば共通鍵暗号方式において使用される共有秘密鍵などの秘密情報である。
【００６０】
受信側通信端末２は、レーザ光源４、サーキュレータ５、分岐比が１対１のビームスプリッタ６、位相変調器７、遅延器８、ビームスプリッタ９、偏光ビームスプリッタ１０、検出器１２、ホモダイン検出器１５およびコントローラ１７を有している。また、送信側通信端末１は、ビームスプリッタ１９、遅延器２０、音響光学素子２１、位相変調器２２、ファラデーミラー２４、検出器２６およびコントローラ２８を有している。通信路３として、光ファイバあるいは自由空間を用いることができる。自由空間を通信路３とするときは、望遠鏡を使用して通信路３における光ビームの径を大きくすることにより、光の回折の影響を小さくすることができる。
【００６１】
以下、量子暗号を適用した通信処理の動作シーケンスに従って、各構成部における処理の詳細を説明する。受信側通信端末２のレーザ光源４で発生するパルス光が、通信路３を介して送信側通信端末１へ送信され、その送信データが再度、通信路３を介して受信側通信端末２へ戻ってくるという順番で動作するので、その順番に従って説明する。
【００６２】
受信側通信端末２のサーキュレータ５は、レーザ光源４からの光がビームスプリッタ６へ出力され、ビームスプリッタ６から戻ってきた光がホモダイン検出器１５へ出力されるように光路制御を実行する。
受信側通信端末２のレーザ光源４から発生したパルス光は、サーキュレータ５を介してビームスプリッタ６に入力されると、当該ビームスプリッタ６において、信号光としてのパルス光Ｐ１と、参照光としてのパルス光Ｐ２とに分岐される。
【００６３】
ビームスプリッタ６から位相変調器７、遅延器８、ビームスプリッタ９を経て偏光ビームスプリッタ１０に進むパルス光をＰ１とする。また、ビームスプリッタ６から直接偏光ビームスプリッタ１０に進むパルス光をＰ２とする。図では、受信側通信端末２から送信側通信端末１へ向かうパルス光Ｐ１，Ｐ２を実線矢印で示し、送信側通信端末１から受信側通信端末２へ戻るパルス光Ｐ１，Ｐ２を点線矢印で示している。
【００６４】
ビームスプリッタ６から偏光ビームスプリッタ１０へ進む２つの経路は偏波保存ファイバで各部品間を接続し、パルス光Ｐ１（以下、「信号光Ｐ１」という）とパルス光Ｐ２（以下、「参照光Ｐ２」という）が偏光ビームスプリッタ１０で合流し、通信路３に送出されるときには、信号光Ｐ１と参照光Ｐ２は互いに直交する直線偏光となる。
ただし、遅延器８により、信号光Ｐ１は参照光Ｐ２よりも遅れて通信路３に入力される。信号光Ｐ１と参照光Ｐ２の時間差は、レーザ光源４で発生されるパルス光のコヒーレンス時間よりも十分長くなければならず、また、受信側通信端末２の位相変調器７と、送信側通信端末１の位相変調器２２および音響光学素子２１の応答時間よりも長くなるように選ぶ。
【００６５】
送信側通信端末１では、受信側通信端末２から通信路３を経由して信号光Ｐ１、参照光Ｐ２を受信する。送信側通信端末１では、通信路３からの信号光Ｐ１、参照光Ｐ２をビームスプリッタ１９に入力する。ビームスプリッタ１９は、大部分の光を遅延器２０側に出力し、一部の光のみを検出器２６側に出力するように入力光の分岐処理を行なう。ビームスプリッタ１９の分岐比は、検出器２６がパルス光Ｐ２の到着をモニタできる強度となる範囲でなるべく多くの光が遅延器２０側に進むように設定する。例えば、遅延器２０側と検出器２６側との分岐比は９対１に設定される。
【００６６】
検出器２６は、参照光Ｐ２の到着をモニタするために用いる。検出器２６としては、例えばフォトダイオードもしくはアバランシェフォトダイオードと、これに増幅器を組み合わせた構成を適用できる。フォトダイオードとアバランシェフォトダイオードには、パルス光の波長が可視域もしくは近赤外の場合にはＳｉを、波長が１．３μｍ〜１．６μｍの場合にはＧｅもしくはＩｎＧａＡｓを用いることができる。なお、詳細説明は省略するが、送信側通信端末１の検出器１２も、検出器２６と同様に構成される。
【００６７】
検出器２６の検出出力は、コントローラ２８に供給される。図６においては、音響光学素子２１が位相変調器２２よりも通信路３側に設置された例を示しているが、位相変調器２２を音響光学素子２１よりも通信路３側に設置する構成であってもよい。
コントローラ２８は、音響光学素子２１と位相変調器２２を制御する。音響光学素子２１は、光減衰部および周波数シフト部として機能する。この場合、参照光Ｐ２に対しては、音響光学素子２１における減衰率が低くなるようにし、位相変調器２２は作用させない。また、信号光Ｐ１に対しては、音響光学素子２１における減衰率が高くなるようにし、さらに位相変調器２２により適当な位相変調処理を実行する。
【００６８】
また、送信側通信端末１の音響光学素子２１により、当該音響光学素子２１を通過する信号光Ｐ１、参照光Ｐ２は、その周波数がシフトされる。この場合、音響光学素子２１は、上述の図２に示すような構成とされており、信号光Ｐ１、参照光Ｐ２の周波数は当該音響光学素子２１により高くなる方向にシフトされる。
【００６９】
また、コントローラ２８は、検出器２６の検出出力に基づいて、参照光Ｐ２の到着を知ることができ、位相変調器２２における信号光Ｐ１に対する位相変調の処理開始タイミング、さらには、音響光学素子２１における減衰率等を制御する。これにより、位相変調器２２においては、信号光Ｐ１を構成する各パルスに対して正しいタイミングで位相変調の処理を行うことができる。また、信号光Ｐ１と参照光Ｐ２とに対する減衰率を正しいタイミングで切り替えることができる。
【００７０】
例えば、４つの量子状態を用いる量子暗号を行う場合には、０度（０ラジアン）、９０度（π／２ラジアン）、１８０度（πラジアン）、２７０度（３π／２ラジアン）の位相変調をパルス毎にランダムに加える。位相変調器２２には、例えば、ＬｉＮｂＯ３位相変調器を用いることができる。
【００７１】
受信側通信端末２から通信路３を介して送信側通信端末１に入力した信号光Ｐ１と参照光Ｐ２は送信側通信端末１のファラデーミラー２４で反射され、受信側通信端末２に戻される。したがって、信号光Ｐ１と参照光Ｐ２は送信側通信端末１の位相変調器２２と音響光学素子２１とを、往復で２回通ることになる。音響光学素子２１の減衰率は、信号光Ｐ１に対しては、送信側通信端末１から受信側通信端末２へ戻っていく信号光Ｐ１のパルスあたりの平均光子数が１個程度となるように設定する。
【００７２】
一方、送信側通信端末１から受信側通信端末２へ戻っていく参照光Ｐ２のパルスあたりの平均光子数は、受信側通信端末２側のホモダイン検出器１５におけるＳ／Ｎ比が最適になるように選ぶ。典型的な参照光Ｐ２の強度はパルスあたりの平均光子数が１０６個程度である。このとき、送信側通信端末１側の音響光学素子２１の信号光Ｐ１と参照光Ｐ２に対する相対的な透過率の典型的な比は、１０−６：１程度となる。
【００７３】
ホモダイン検出法は微弱な信号光（パルスあたりの平均光子数が１個程度）と比較的強度の強い参照光（典型的な平均光子数はパルスあたり１０６個程度）を重ね合わせて信号光の状態を測定する方法である。送信側通信端末１から受信側通信端末２へ戻っていく信号光Ｐ１が、平均光子数が１個程度となる信号光に相当する。また、送信側通信端末１から受信側通信端末２へ戻っていく参照光Ｐ２が、平均光子数が１０６個程度の参照光に相当する。
【００７４】
送信側通信端末１の位相変調器２２と音響光学素子２１はともに、通信路３から送信側通信端末１へ入るパルス光の偏光状態に依存しない位相変調と減衰を与える必要があるが、パルス光（信号光Ｐ１と参照光Ｐ２）の反射にファラデーミラー２４を用いることで、自動的にこの条件を満たすことができる。音響光学素子２１は、ほぼ光の偏光状態に依存しない透過率となるので、信号光Ｐ１に対する音響光学素子２１の１回あたりの透過率は１０−３程度に設定する。
【００７５】
送信側通信端末１において上述の処理がなされた減衰パルス光と非減衰パルス光、すなわち減衰パルス光である信号光Ｐ１と、非減衰パルス光である参照光Ｐ２は、通信路３を介して受信側通信端末２に入力される。受信側通信端末２に入力された信号光Ｐ１と参照光Ｐ２は、偏光ビームスプリッタ１０により分離される。この場合、信号光Ｐ１は直接ビームスプリッタ６へ入力される短い経路へ出力され、参照光Ｐ２はビームスプリッタ９、遅延器８および位相変調器７を通る長い経路へ出力される。図では、信号光Ｐ１、参照光Ｐ２をそれぞれ点線矢印で示している。
【００７６】
信号光Ｐ１と参照光Ｐ２は、送信側通信端末１に設置されたファラデーミラー２４によって反射された光であるので、受信側通信端末２の偏光ビームスプリッタ１０へ戻ってきた信号光Ｐ１と参照光Ｐ２は、受信側通信端末２から出力された信号光Ｐ１と参照光Ｐ２に対してそれぞれ９０度偏光面が回転した直線偏光になっている。この偏光に起因して、受信側通信端末２に入力された信号光Ｐ１は、偏光ビームスプリッタ１０により、直接ビームスプリッタ６へ入力される短い経路へ出力され、参照光Ｐ２は、ビームスプリッタ９、遅延器８、位相変調器７を通る長い経路へ出力される。
【００７７】
すなわち、受信側通信端末２の偏光ビームスプリッタ１０とビームスプリッタ６の間の経路は、受信側通信端末２から送信側通信端末１へ向かう際の信号光Ｐ１、参照光Ｐ２と、逆に、送信側通信端末１から受信側通信端末２へ戻った信号光Ｐ１、参照光Ｐ２とで入れ替わることになる。この構成では、送信側通信端末１における減衰処理によって減衰された微弱な信号光Ｐ１は、受信側通信端末２では、余分な光学部品のない短い経路を通るため、受信側通信端末２に戻ってきた信号光Ｐ１の光損失を小さくすることができる。
【００７８】
偏光ビームスプリッタ１０により分岐された、典型的なパルスあたりの光子数が１０６個程度である参照光Ｐ２は、ビームスプリッタ９により、遅延器８へ進むパルス光と検出器１２へ進むパルス光に分かれる。ビームスプリッタ９の典型的な分岐比は９対１とされ、大部分のパルス光が遅延器８側に進むように設定される。
【００７９】
受信側通信端末２の検出器１２の構成は、送信側通信端末１の検出器２６と同様で、ビームスプリッタ９の分岐比に関しても、パルス光Ｐ２の到着が検出できる範囲でなるべく多くの光が遅延器８側に出力されるように設定する。検出器１２の出力はコントローラ１７に供給される。コントローラ１７は位相変調器７をコントロールするほか、ホモダイン検出器１５の出力を読み出すタイミングをコントロールする働きを持つ。
【００８０】
コントローラ１７は、検出器１２の検出出力に基づいて、参照光Ｐ２の到着を知ることができ、位相変調器７における参照光Ｐ２に対する位相変調の処理開始タイミングを制御する。これにより、位相変調器７においては、参照光Ｐ２を構成する各パルスに対して正しいタイミングで位相変調の処理が行われる。
位相変調器７は、遅延器８を通った参照光Ｐ２に、パルス毎に、ランダムな位相変調を与える。４つの量子状態を用いる量子暗号の場合は、０度（０ラジアン）または９０度（π／２ラジアン）の位相変調をランダムに与える。
【００８１】
往路、すなわち受信側通信端末２から送信側通信端末１へ向かう際には、長い経路（ビームスプリッタ６→位相変調器７→遅延器８→ビームスプリッタ９→偏光ビームスプリッタ１０）を通った信号光Ｐ１は、復路では短い経路（偏光ビームスプリッタ１０→ビームスプリッタ６）を通る。一方、往路では短い経路（ビームスプリッタ６→偏光ビームスプリッタ１０）を通った参照光Ｐ２は、復路では長い経路（偏光ビームスプリッタ１０→ビームスプリッタ９→遅延器８→位相変調器７→ビームスプリッタ６）を通る。このように、信号光Ｐ１、参照光Ｐ２は、受信側通信端末２と送信側通信端末１との間の往復において全く等距離の経路を経由することになり、信号光Ｐ１と参照光Ｐ２は同時にビームスプリッタ６に到着する。
【００８２】
信号光Ｐ１は量子力学的な性質が現れる信号光であり、それに比べて強度の強い参照光（「局部発振光」ともいう）Ｐ２を用いて、ホモダイン検出を行うことになる。ビームスプリッタ６の２つの出力は、片方は直接、もう片方はサーキュレータ５を通って、ホモダイン検出器１５へ入力される。
【００８３】
ホモダイン検出器１５の２つの入力部には、それぞれフォトダイオードを設置する（図４参照）。フォトダイオードには、パルス光の波長が可視域もしくは近赤外の場合にはＳｉを、波長が１．３μｍ〜１．６μｍの場合にはＧｅもしくはＩｎＧａＡｓを用いることができる。２つのフォトダイオードの出力は、低雑音で利得の高い増幅器に入力され、さらにこの増幅器の出力を、参照光Ｐ２の強度や増幅器の利得等を使って規格化すると、信号光Ｐ１の直交位相振幅が得られる。このホモダイン検出器１５の検出情報から通信秘密情報、例えば秘密鍵を得ることができる。
【００８４】
図６に示す量子暗号通信装置１００Ａにおいては、送信側通信端末１の音響光学素子２１により、信号光Ｐ１、参照光Ｐ２の周波数が高い方向にシフトされ、当該周波数シフトされた信号光Ｐ１、参照光Ｐ２が受信側通信端末２に戻ってくる。そのため、当該信号光Ｐ１、参照光Ｐ２の周波数は、光ファイバ内で発生する、周波数が同じか、低くなる後方散乱光の周波数とはずれたものとなる。これにより、受信側通信端末２のホモダイン検出器１５において、信号光Ｐ１と参照光Ｐ２との干渉に対する雑音となる、参照光Ｐ２と後方散乱光との干渉を抑制できる。
【００８５】
図６に示す量子暗号通信装置１００Ａにおける、送信者側端末１と受信者側端末２との間の通信による秘密情報の共有シーケンスの概要について、図７〜図９を参照して説明する。
【００８６】
まず、図７に示すように、受信側通信端末２から往路の信号光Ｐ１、参照光Ｐ２が送信側通信端末１に出力され、送信側通信端末１から受信側通信端末２に復路の信号光Ｐ１、参照光Ｐ２が戻される。ここで、送信側通信端末１は、受信側通信端末２からの信号光Ｐ１、参照光Ｐ２のうち、信号光Ｐ１に位相変調器２２を適用して、｛０，π／２，π，３π／２｝のいずれかの位相変調を施す。この位相変調系列が、図７下段の表の（ｂ）のデータ送信側位相変調系列に相当する。
【００８７】
送信側通信端末１が、信号光Ｐ１に対して実行する位相変調系列（図７の下段の表の（ｂ））はランダムに選択された系列であってよい。あるいは、予め図７の下段の表の（ａ）選択ビットを設定した後、その選択ビットに対応する変調を行なってもよい。なお、例えば、ビット０に対しては、０またはπ／２の位相変調とし、ビット１に対しては、π，または３π／２の位相変調が対応付けられているものとする。
【００８８】
このような位相変調が行なわれた信号光Ｐ１は音響光学素子２１（図６参照）によって減衰された後に受信側通信端末２に戻される。なお、参照光Ｐ２は減衰されることなく受信側通信端末２に戻される。送信側通信端末１から受信側通信端末２に戻される信号光Ｐ１は微弱なパルス光（パルスあたりの平均光子数が１個程度）であり、送信側通信端末１から受信側通信端末２に戻される参照光Ｐ２は、比較的強度の強いパルス光（典型的な平均光子数はパルスあたり１０６個程度）である。
【００８９】
この戻り信号光Ｐ１と、戻り参照光Ｐ２を受信した受信側通信端末２は、位相変調器７において、例えば｛０，π／２｝のいずれかをランダムに選択して、参照光Ｐ２に対する位相変調を行いホモダイン検出器１５において干渉を測定する。
【００９０】
例えば、受信側通信端末２の位相変調器７において、図７の下段の表に示す（ｃ）の位相変調処理を実行した場合、ホモダイン検出器１５においては、（ｄ）に示すビット検出が可能となる。（ｄ）干渉に基づく確認ビットに示すデータにおいて、［０］，［１］が、干渉によるビット識別が実行できた部分であり、［×］は、ビット識別が実行できなかった部分である。ビット識別の可否は、前述したように送信側通信端末１と受信側通信端末２において実行される位相変調処理の組み合わせによって決定される。
【００９１】
例えば、受信側通信端末２のホモダイン検出器１５では、図７の下段の表の（ｄ）干渉に基づく確認ビットに示すデータに示すように、位相変調処理の組み合わせが所定条件を満足する場合にのみ、ビット［０］、または［１］が検出されることになる。［×］は、ビットの識別が実行できなかった部分である。
【００９２】
その後、受信側通信端末２は、図８に示すように、受信側通信端末２において適用した変調系列情報、すなわち図８の下段の表の（ｃ）の情報列を送信側通信端末１に通知する。図に示す｛０，０，π／２，π／２，０・・｝である。
【００９３】
送信側通信端末１は、受信側通信端末２から受領した変調系列情報に基づいて、ビット検出に適応した正しい変調が行なわれた部位と、正しくない変調が行なわれた部位を示す情報を生成して受信側通信端末２に送信する。すなわち図８の下段の表の（ｅ）の情報列を受信側通信端末２に通知する。図に示す｛○，×，○，×，○，○・・｝である。なお、図８に示す受信側通信端末２からの変調系列情報｛０，０，π／２，π／２，０・・｝、送信側通信端末１からの情報｛○，×，○，×，○，○・・｝は公開通信路を適用してよい。
【００９４】
次に、図９に示すように、受信側通信端末２は、検出されたビット情報列を送信側通信端末１に通知する。図に示す｛０，０，１，０・・｝である。一方、送信側通信端末１は、受信側通信端末２側で検出可能な位相変調を行なった部分のみのビット列情報を受信側通信端末２に通知する。図に示す｛０，０，１，０・・｝である。これは、図９の下段の表において、（ａ）の選択ビットから（ｅ）送受信側の変調適合において［○］が設定されたもののみを選択したビット系列である。これらの通知処理も公開通信路を介して実行してよい。
【００９５】
通信路３において通信データの盗聴が行なわれていない場合は、図９に示すビットの相互通知処理において、すべての確認ビットが一致する。しかし、通信路３において通信データの盗聴が行なわれると、図１０に示すように、ビットの相互通知処理において、相互の通知ビットのずれが発生する。これは、通信路３の盗聴により、変調状態が変化してしまうことによる。通信路３における盗聴がない場合には、相互の通知ビットのずれは発生することがない。
【００９６】
このようなデータ通信により、例えば共通鍵暗号方式における秘密鍵などの秘密情報を共有することが可能となる。なお、例えば秘密鍵ｎビットを共有する場合は、図９を参照して説明した相互通知処理のなされたビットが互いに一致することを確認した後、予め相互に通知済みの共通のビット選択処理により、上記処理によって共有できたｍビット（ｍ＞ｎ）からｎビットを選択するなどの処理が実行される。
【００９７】
「第２の方式を採用した量子暗号通信装置の具体例」
第２の方式、つまり任意のコヒーレント状態と任意の位相方向で測定する方式を採用した量子暗号通信装置の具体例を説明する。
【００９８】
まず、図１１を参照して、上述した第１の方式における符号化効率について説明する。図１１（１）は、送信側の位相変調処理によって得られる４つの変調信号としての量子状態（コヒーレント状態）５１〜５４と、受信側の観測系として適用される２つの位相変調処理に対応する基底Ｘ１，７１と、基底Ｘ２，７２を示している。
【００９９】
受信側の観測系として基底（受信側適用位相変調）Ｘ１，７１を適用した場合には、送信側の位相変調処理によって得られる４つの量子状態（コヒーレント状態）５１〜５４の中で、０度位相変調信号である量子状態５１と、１８０度（π）位相変調信号である量子状態５３の判別のみが可能となり、９０度（π／２）位相変調信号である量子状態５２と、２７０度（３π／２）位相変調信号である量子状態５４の判別はできない。また、受信側の観測系として基底（受信側適用位相変調）Ｘ２，７２を適用した場合には、送信側の位相変調処理によって得られる４つの変調信号である量子状態５１〜５４の中で、９０度（π／２）位相変調信号である量子状態５２と、２７０度（３π／２）位相変調信号である量子状態５４の判別のみが可能となり、０度位相変調信号である量子状態５１と、１８０度（π）位相変調信号である量子状態５３の判別はできない。
【０１００】
この状態別の対応を示したのが、図１１（２）の表である。図１１（２）に示す表において、上段から順に、（Ａ）データ送信側位相変調量（φＡ）、（Ｂ）データ受信側位相変調量（φＢ）、（Ｃ）検出ビットと基底の一致、不一致、（Ｄ）検出可能ビット率（基底一致率）の各データを示している。
【０１０１】
（Ａ）データ送信側位相変調量（φＡ）は、図１１（１）に示す送信側の位相変調処理によって得られる４つの変調信号である量子状態５１〜５４のいずれか、すなわち、
０度位相変調信号である量子状態５１、
９０度（π／２）位相変調信号である量子状態５２、
１８０度（π）位相変調信号である量子状態５３、
２７０度（３π／２）位相変調信号である量子状態５４、
のいずれかである。
【０１０２】
（Ｂ）データ受信側位相変調量（φＢ）は、図１１（１）に示す受信側の観測系として適用される２つの基底（受信側適用位相変調）、すなわち、
基底（受信側適用位相変調）Ｘ１，７１、
基底（受信側適用位相変調）Ｘ２，７２、
のいずれかである。
【０１０３】
送信側で任意に４つの位相変調信号をランダムに選択し、受信側においても２つの観測系をランダムに選択した場合、図１１（２）に示す８通りの組み合わせが均等に発生することになる。
【０１０４】
図１１（２）の（Ｃ）は、検出ビットと基底の一致、不一致のデータを示している。前述したように、受信側の観測系として基底（受信側適用位相変調）Ｘ１，７１を適用した場合には、送信側の０度位相変調信号である量子状態５１と、１８０度（π）位相変調信号である量子状態５３の判別のみが可能となり、受信側の観測系として基底（受信側適用位相変調）Ｘ２，７２を適用した場合には、送信側の９０度（π／２）位相変調信号である量子状態５２と、２７０度（３π／２）位相変調信号である量子状態５４の判別のみが可能となる。
【０１０５】
受信側で適用する観測系を受信側位相変調基底と呼ぶ。受信側においてビット値を判別可能な場合を「基底の一致」、受信側においてビット値を判別不可能な場合を「基底の不一致」とする。図から理解されるように、全８パターン中、基底一致の組み合わせは４通り、基底不一致の組み合わせは４通りである。結果として、図１１（２）の（Ｄ）検出可能ビット率（基底一致率）に示すように、データ送受信側において基底が一致し、ビット値の検出可能となる確率は１／２（５０％）となる。
【０１０６】
基底の一致、不一致の態様について、図１２を参照して、さらに説明する。図１２（ａ）は、基底が一致する場合、図１２（ｂ）は基底不一致の場合の例である。図１２（ａ１）は、基底一致の場合の送信側の位相変調量と受信側の位相変調量の組み合わせを示している。
すなわち、
受信側位相変調量：φＢ＝π／２の場合、
送信側位相変調量：φＡ＝π／２、３π／２
と、
受信側位相変調量：φＢ＝０の場合、
送信側位相変調量：φＡ＝０、π
の４通りである。
【０１０７】
これらの場合、受信側では、図１２（ａ２）に示すように、信号を区分して判別することができる。すなわち、判別用の信号として、得られるデータは、
φ＝｜φＡ−φＢ｜
であり、
φ＝０、またはφ＝πのいずれかの検出信号を得ることで、ビット値判別が可能となる。このような場合が基底一致状態である。
【０１０８】
一方、図１２（ｂ）は基底不一致の場合の例である。図１２（ｂ１）は、基底不一致の場合の送信側の位相変調量と受信側の位相変調量の組み合わせを示している。
すなわち、
受信側位相変調量：φＢ＝０の場合、
送信側位相変調量：φＡ＝π／２、３π／２
と、
受信側位相変調量：φＢ＝π／２の場合、
送信側位相変調量：φＡ＝０、π
の４通りである。
【０１０９】
これらの場合、受信側では、図１２（ｂ２）に示すように、信号を区分して判別することができない。すなわち、判別用の信号として、得られるデータは、
φ＝｜φＡ−φＢ｜
であり、
φ＝π／２の検出信号のみしか得ることができず、ビット値判別が不可能となる。このような場合が基底不一致状態である。
【０１１０】
基底不一致の場合は、送信側と受信側の共有秘密情報を構成するビット値として適用できないので、破棄されることになる。送信側と受信側の共有秘密情報を構成するビット値は、基底一致の場合のみとなる。すなわち、送信側で位相変調処理を実行して受信側に送信した信号中、最大１／２が有効情報として利用可能であるが、残りの１／２の信号が無駄になってしまうことになる。
【０１１１】
第２の方式は、量子暗号を適用した秘密情報の通信において、送信側から受信側に対して送信する位相変調信号に無駄を発生させることなく、より多くの信号を有効情報として適用、すなわち、送信側と受信側においてより多くの情報を共有する秘密情報として適用することを可能としたものである。
【０１１２】
第２の方式を採用した量子暗号通信装置も、上述した第１の方式を採用した量子暗号通信装置１００Ａと同様の構成となる。ただし、第２の方式を採用した量子暗号通信装置では、送信側通信端末１の位相変調器２２および受信側通信端末２の位相変調器７における位相変調処理に、第１の方式とは異なる手法が採用される。
【０１１３】
以下、第２の方式における位相変調処理を説明する。ここでは、量子状態として設定する位相変調量の種類の数に応じて、４状態、６状態、８状態の位相変調量を適用した量子暗号通信処理それぞれの実施例について、順次説明する。
【０１１４】
［（１）送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例］
図６に示す量子暗号通信装置１００Ａにおいて、送信側通信装置１の位相変調器２２と、受信側通信装置２の位相変調器７とで実行する位相変調処理の対応を、図１３を参照して説明する。
【０１１５】
図１３（ａ）は、送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした位相変調処理例を示す。図に示す４つの円は、送信側通信装置１の位相変調器２２において実行する位相変調量に対応し、４５°変調データ３２１、１３５°変調データ３２２、２２５°変調データ３２３、３１５°変調データ３２４の４つの変調処理対応データの量子状態（コヒーレント状態）を示している。原点から各円の中心までの距離は、表示するコヒーレント状態の平均の光子数の平方根に比例している。また、２つの円に注目した場合、円の中心と原点をそれぞれ結んでできる２直線がなす角度は、２つのコヒーレント状態の位相差を表す。また、円の大きさは量子状態の持つ揺らぎを表す。
【０１１６】
平衡型ホモダイン検出を用いる図６の量子暗号通信装置１００Ａにおいて、送信側は、位相変調器２２において｛４５°，１３５°，２２５°，３１５°｝のいずれかの変調をかけた４種類のコヒーレント状態を送信し、受信側は、位相変調器７において｛０°，９０°｝のいずれかの位相変調を行い、フォトダイオード、増幅器などからなるホモダイン検出器１５においてホモダイン検出をおこなう。
【０１１７】
図１３（ａ）に示すコヒーレント状態表示について、図１４を参照して説明する。レーザ光の量子状態がコヒーレント状態であり、コヒーレント状態は、以下に示すウィグナー関数と呼ばれる２次元平面上の関数で表現できる。
Ｗ（ｘ，ｙ）＝（２／π）ｅｘｐ［−２（ｘ１−Ｘ）２−２（ｘ２−Ｙ）２］
このとき、
α＝Ｘ＋ｉＹを
コヒーレント状態の複素振幅とよぶ。
ｔａｎφ＝Ｘ／Ｙとすれば、α＝｜α|ｅｉφと書き表せる。
【０１１８】
光パルスに位相変調を加えることは、位相φの値を変化させることに相当し、また、強度変調を加えることはαの大きさ｜α|の値を変化させることに相当する。ｎ＝｜α２|は、コヒーレント状態の平均光子数に相当し、パルス光に平均して含まれる光子数を示し、パルス光の強度、エネルギーを表す。
【０１１９】
コヒーレント状態は、ウィグナー関数の等高線によって模式的に示すことができる。図１４に示すように、ウィグナー関数が定義されている２次元平面において、円３５１は、揺らぎを考慮したある量子状態の範囲を示す等高線であり、この円３５１に含まれるコヒーレント状態が｜α〉として示される。この円３５１の中心における位相は、位相＝φ、原点から円３５１の中心までの距離は、コヒーレント状態の複素振幅の大きさ｜α|であり、コヒーレント状態の平均光子数の平方根に比例している。
【０１２０】
図１３に戻り、送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした位相変調処理例についての説明を続ける。受信側通信端末２の位相変調器７において実行する位相変調処理は、｛０°，９０°｝のいずれかの位相変調処理である。この２つの位相変調処理は、図に示す直交軸Ｘ１，Ｘ２によって示される基底（受信側位相変調処理）に相当する。すなわち、
０°位相変調処理に相当する基底Ｘ１，３１１
９０°位相変調処理に相当する基底Ｘ２，３１２
である。
【０１２１】
本明細書では、受信側で適用する観測系を受信側位相変調基底と呼ぶ。本実施例では、受信側位相変調基底は２基底となる。本実施例は、送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例である。
【０１２２】
なお、参考のために、図１３（ｂ）に、上述の第１の方式における位相変調処理構成を示してある。図１３（ａ）と図１３（ｂ）を対比して理解されるように、第１の方式では、送信側の位相変調器２２において｛０°，９０°(π/2)，１８０°(π)，２７０°(3π／２)｝のいずれかの変調をかけた４種類のコヒーレント状態を送信し、受信側の位相変調器７において｛０°，９０°(π/2)｝いずれかの位相変調を行い、ホモダイン検出をおこなう構成である。
【０１２３】
しかし、本実施例の位相変調処理では、送信側は、図１３（ａ）の各円で示すように、送信側の位相変調器２２において｛４５°(π/4)，１３５°(3π/4)，２２５°(5π/4)，３１５°(7π/4)｝のいずれかの変調をかけた４種類のコヒーレント状態を送信する。受信側の位相変調器７において｛０°，９０°(π/2)｝いずれかの位相変調を行い、ホモダイン検出器１５においてホモダイン検出をおこなう。
【０１２４】
図１３（ｂ）に示す第１の方式の位相変調処理例では、先に説明したように、基底一致の場合にのみ情報の共有が可能となり、送信側の位相変調量（φＡ）と受信側の位相変調量（φＢ）の組み合わせとして、
受信側位相変調量：φＢ＝π／２の場合、
送信側位相変調量：φＡ＝π／２、３π／２
と、
受信側位相変調量：φＢ＝０の場合、
送信側位相変調量：φＡ＝０、π
の４通りのみにおいて
情報共有が可能となり、その他の組み合わせでは、基底不一致となり情報が共有できないという状態であった。
【０１２５】
本実施例では、受信側の位相変調量は、｛０°，９０°｝いずれかであり、第１の方式と変わりないが、送信側の位相変調量は、｛４５°，１３５°，２２５°，３１５°｝のいずれかであり、第１の方式とは異なる。
【０１２６】
データ送信側では、送信データとして、有限個の量子状態（コヒーレント状態）として、｛４５°，１３５°，２２５°，３１５°｝を設定し、これらのいずれかをランダムに選択して、選択位相変調量に基づく位相変調処理を、送信側通信端末１の位相変調器２２において実行して送信する。例えば、データ送信側では、｛０，１，２，３｝の４種類の数値からなるランダム数列を設定し、０〜３の各数値を、｛４５°，１３５°，２２５°，３１５°｝の各位相変調量に対応付けて、ランダム数列に基づいて変調量を順次決定して変調処理を行って送信するなどの処理が可能である。
【０１２７】
一方、データ受信側では、データ送信側から送信されるデータとしての有限個のコヒーレント状態を観測する処理を行なうことになる。観測処理は、以下の（ａ）、（ｂ）の処理からなる。
（ａ）観測系として複数の基底、すなわち位相変調量｛０°，９０°｝の基底（受信側適用位相変調処理）を設定する。
（ｂ）設定した複数の観測系、すなわち位相変調量｛０°，９０°｝の基底をランダムに選択して、ホモダイン検出処理を実行する。
【０１２８】
上述の観測処理は、受信側通信端末２の位相変調器７においてランダムに選択した複数の基底（異なる複数の位相変調処理）を適用し、ホモダイン検出による検出処理として実行される。
【０１２９】
さらに、データ受信側は、測定態様情報として、適用した観測系、すなわち適用基底（受信側適用位相変調処理）情報をデータ送信側に通知し、データ送信側は、受信側において適用した位相変調処理に応じて、送信した複数の量子状態（コヒーレント状態）、すなわち、データ送信側で適用した｛４５°，１３５°，２２５°，３１５°｝に相当する４種類の量子状態（コヒーレント状態）の各々に対して、ビット値を割り当てて、この割り当て情報をデータ受信側に通知する。
【０１３０】
本実施例では、受信側が０°の変調量（Ｘ１軸）で測定した場合、送信側は｛４５°，３１５°｝のコヒーレント状態をビット１、｛１３５°，２２５°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、受信側が図１３（ａ）に示す０°位相変調処理Ｘ１，３１１を適用した測定を行なった場合は、送信側は、４５°変調データ３２１と、３１５°変調データ３２４の２つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、残りの１３５°変調データ３２２と、２２５°変調データ３２３の２つの態様のコヒーレント状態をビット０とする。
【０１３１】
また、受信側が９０°の変調量（Ｘ２軸）で測定した場合、送信側は｛４５°，１３５°｝のコヒーレント状態をビット１、｛２２５°，３１５°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、受信側が図１３（ａ）に示す９０°位相変調処理Ｘ２，３１２を適用した測定を行なった場合は、送信側は、４５°変調データ３２１と、１３５°変調データ３２２の２つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、残りの２２５°変調データ３２３と、３１５°変調データ３２４の２つの態様のコヒーレント状態をビット０とする。
【０１３２】
送信側は、受信側からの測定態様情報をデータ送信後に受け取り、受信側において適用した位相変調処理に応じて、上述のようなビット割り振りを行なう、なお、上述のビット０とビット１の割り振り例は一例であり、上述の割り振りの逆の態様での割り振り処理を行ってもよい。
【０１３３】
このように受信側が行った測定の種類に従って、４つの状態のそれぞれに２種類のビット値を割り振るという符号化を行うことで、送信側と受信側の基底の不一致によって送信側と受信側で共有できなくなる情報、例えば、共有秘密鍵に貢献しない情報をゼロとすることができる。
【０１３４】
図１５を参照して、本発明の構成における量子暗号法における符号化効率について説明する。図１５（１）は、受信側が０°の変調量（Ｘ１軸）で測定した場合の例であり、円３２１〜３２４は、送信側通信端末１の位相変調器２２において実行する位相変調量に対応し、各々４５°変調データ３２１、１３５°変調データ３２２、２２５°変調データ３２３、３１５ｄ°変調データ３２４の４つの変調処理対応データを示している。受信側が  変調量０°で測定した場合、
４５°変調データ３２１＝ビット１
３１５°変調データ３２４＝ビット１
としてビット値が対応付けられ、
１３５°変調データ３２２＝ビット０、
２２５°変調データ３２３＝ビット０、
としてビット値が対応付けられる。
【０１３５】
図１５（２）は、受信側が９０°の変調量（Ｘ２軸）で測定した場合の例であり、この場合、
４５°変調データ３２１＝ビット１
１３５°変調データ３２２＝ビット１、
としてビット値が対応付けられ、
２２５°変調データ３２３＝ビット０、
３１５°変調データ３２４＝ビット０
としてビット値が対応付けられる。
【０１３６】
この状態別の対応を示したのが、図１５（３）の表である。図１５（３）に示す表において、上段から順に（Ａ）データ送信側位相変調量（φＡ）、（Ｂ）データ受信側位相変調量（φＢ）、（Ｃ）共有ビット、（Ｄ）共有可能情報率の各データを示している。
【０１３７】
（Ａ）データ送信側位相変調量（φＡ）は、図１５（１）（２）に示す送信側の位相変調処理によって得られる４つの変調信号、すなわち、４５°変調データ３２１、１３５°変調データ３２２、２２５°変調データ３２３、３１５°変調データ３２４の４つの変調処理データを示している。
【０１３８】
（Ｂ）データ受信側位相変調量（φＢ）は、図１５（１）（２）に示す受信側の観測系として適用される２つの位相変調量、すなわち、
位相変調量＝０°
位相変調量＝９０°
のいずれかである。
【０１３９】
送信側で任意に４つの位相変調信号（φＡ＝４５°，１３５°，２２５°，３１５°）をランダムに選択し、受信側においても２つの観測系としての２つの位相変調量（φＢ＝０°，９０°）をランダムに選択した場合、図１５（３）に示す８通りの組み合わせが均等に発生することになる。
【０１４０】
（Ｃ）の共有ビットは、送信側と受信側で共有することとなるビット情報を示している。前述したように、受信側の観測系に応じてビット値の対応を変更しており、８個全ての組み合わせにおいてビット値共有を可能としている。すなわち、送信側の４種類の位相変調と受信側の２種類の位相変調による８個全ての組み合わせにおいて、ビット値の共有が可能となり、（Ｄ）に示すように共有可能情報率を１００％とすることができる。
【０１４１】
なお、受信側通信端末２では、図１６に示すように、信号を区分して判別する。すなわち、判別用の信号として適用するデータは、データ送信側位相変調量（φＡ）とデータ受信側位相変調量（φＢ）の差分データ、
φ＝｜φＡ−φＢ｜
であり、
φ＝０、またはφ＝πのいずれかの検出信号を得ることで、ビット値判別が可能となる。なお、図１６示すように、しきい値（Ｘ０，−Ｘ０）を定め、観測した値としきい値をもとにビット値の決定および共有を行なう。
【０１４２】
［（２）送信側位相変調量を３状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例］
図６に示す量子暗号通信装置１００Ａにおいて、送信側通信装置１の位相変調器２２と、受信側通信装置２の位相変調器７とで実行する位相変調処理の対応を、図１７を参照して説明する。
【０１４３】
図１７は、送信側位相変調量を３状態、受信側位相変調基底を３基底とした位相変調処理例を示す。図に示す３つの円４０１〜４０３は、送信側通信装置１の位相変調器２２において実行する位相変調量に対応し、０°変調データ３２１、１２０°変調データ３２２、２４０°変調データ３２３の３つの変調処理対応データの量子状態（コヒーレント状態）を示している。原点から各円の中心までの距離は、表示するコヒーレント状態の光子数の平方根に比例している。また、円の大きさは量子状態の持つ揺らぎを表す。
【０１４４】
受信側通信端末２の位相変調器７において実行する位相変調処理は、｛９０°，−３０°，−１５０°｝のいずれかの位相変調処理であり、この３つの位相変調処理は、図に軸として示す基底（受信側位相変調処理）４２１（φＢ＝９０°）、基底（受信側位相変調処理）４２２（φＢ＝−３０°）、基底（受信側位相変調処理）４２３（φＢ＝−１５０°）に相当する。
【０１４５】
平衡型ホモダイン検出を用いる図６の量子暗号通信装置１００Ａにおいて、送信側は位相変調器２２において｛０°，１２０°，２４０°｝のいずれかの変調をかけた３種類のコヒーレント状態をランダムに選択して送信し、受信側は位相変調器７において｛９０°，−３０°，−１５０°｝のいずれかの位相変調を行い、フォトダイオード、増幅器などからなるホモダイン検出器１５においてホモダイン検出をおこなう。
【０１４６】
さらに、データ受信側は、測定態様情報として、適用した観測系、すなわち適用基底（受信側適用位相変調処理）情報をデータ送信側に通知し、データ送信側は、受信側において適用した位相変調処理に応じて、送信した複数の量子状態（コヒーレント状態）、すなわち、データ送信側で適用した｛０°，１２０°，２４０°｝に相当する各量子状態（コヒーレント状態）の各々に対して、ビット値を割り当てて、この割り当て情報をデータ受信側に通知する。
【０１４７】
本実施例では、受信側が９０°の変調量（Ｘ２軸）で測定した場合、送信側は｛１２０°｝のコヒーレント状態をビット１、｛２４０°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、受信側が図１７に示す９０°位相変調処理軸（φＢ＝９０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）４２１を適用した測定を行なった場合は、送信側は、１２０°変調データ４０２の態様のコヒーレント状態をビット１とし、２４０°変調データ４０３のコヒーレント状態をビット０とする。０°変調データ４０１の態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１４８】
また、受信側が−３０°の変調量で測定した場合、送信側は｛０°｝のコヒーレント状態をビット１、｛１２０°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、図１７に示す−３０°位相変調処理軸（φＢ＝−３０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）４２２を適用した測定を行なった場合は、送信側は、０°変調データ４０１の態様のコヒーレント状態をビット１とし、１２０°変調データ４０２のコヒーレント状態をビット０とする。２４０°変調データ４０３の態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１４９】
さらに、受信側が−１５０°の変調量で測定した場合、送信側は｛２４０°｝のコヒーレント状態をビット１、｛０°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、図１７に示す−１５０°位相変調処理軸（φＢ＝−１５０°）４２３に相当する基底（受信側位相変調処理）を適用した測定を行なった場合は、送信側は、２４０°変調データ４０３の態様のコヒーレント状態をビット１とし、０°変調データ４０１のコヒーレント状態をビット０とする。１２０°変調データ４０２の態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１５０】
送信側は、受信側からの測定態様情報をデータ送信後に受け取り、受信側において適用した位相変調処理に応じて、上述のようなビット割り振りを行なう。なお、上述のビット０と１の割り振り例は一例であり、上述の割り振りの逆の態様での割り振り処理を行ってもよい。
【０１５１】
このように受信側が行った測定の種類に従って、送信側の送信した３つの量子状態中の２つに異なるビット値を割り振るという符号化を行うことで、３つの量子状態中２つが有効な共有情報として設定可能であり、送信側と受信側の基底の不一致によって送信側と受信側で共有できなくなる情報、例えば、共有秘密鍵に貢献しない情報を１／３に削減することができる。
【０１５２】
図１８を参照して、本実施例の符号化効率について説明する。図１８に示す表において、上段から順に（Ａ）データ送信側位相変調量（φＡ）、（Ｂ）データ受信側位相変調量（φＢ）、（Ｃ）共有ビット、（Ｄ）共有可能情報率の各データを示している。
【０１５３】
（Ａ）データ送信側位相変調量（φＡ）は、図１７に示す送信側の位相変調処理によって得られる３つの変調信号、すなわち０°変調データ４０１、１２０°変調データ４０２、２４０°変調データ４０３の３つの変調処理データを示している。
【０１５４】
（Ｂ）データ受信側位相変調量（φＢ）は、図１７に示す受信側の観測系として適用される３つの位相変調量、すなわち、
位相変調量＝９０°
位相変調量＝−３０°
位相変調量＝−１５０°
のいずれかである。
【０１５５】
送信側で任意に３つの位相変調信号（φＡ＝０°，１２０°，２４０°）をランダムに選択し、受信側においても３つの位相変調量（φＢ＝９０°，−３０°，−１５０°）をランダムに選択した場合、図１８に示す９通りの組み合わせが均等に発生することになる。
【０１５６】
（Ｃ）の共有ビットは、送信側と受信側で共有することとなるビット情報を示している。前述したように、受信側の観測系に応じてビット値の対応を変更しており、９個の組み合わせ中、６個の組み合わせにおいてビット値の共有を可能としている。すなわち、送信側の３種類の位相変調と受信側の３種類の位相変調による９個の組み合わせ中、６個の組み合わせにおいてビット値の共有が可能となり、残りの３個の組み合わせにおいてのみ、基底不一致によりビット値の共有が不可となる。したがって、（Ｄ）に示すように、共有可能情報率を２／３とすることができる。
【０１５７】
なお、受信側通信端末２では、先に図１６を参照して説明したように、信号を区分して判別する。すなわち、判別用の信号として適用するデータは、データ送信側位相変調量（φＡ）とデータ受信側位相変調量（φＢ）の差分データ、
φ＝｜φＡ−φＢ｜
であり、
φｍｏｄ２π＝π／６、またはφｍｏｄ２π＝５π／６のいずれかの検出信号を得ることで、ビット値判別が可能となる。なお、図１６示すように、しきい値（Ｘ０，−Ｘ０）を定め，観測した値としきい値をもとにビット値の決定および共有を行なう。
【０１５８】
［（３）送信側位相変調量を６状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例］
図６に示す量子暗号通信装置１００Ａにおいて、送信側通信装置１の位相変調器２２と、受信側通信装置２の位相変調器７とで実行する位相変調処理の対応を、図１９を参照して説明する。
【０１５９】
図１９は、送信側位相変調量を６状態、受信側位相変調基底を３基底とした位相変調処理例を示す。図に示す６つの円４３１〜４３６は、送信側通信装置１の位相変調器２２において実行する位相変調量に対応し、０°変調データ４３１、６０°変調データ４３２、１２０°変調データ４３３、１８０°変調データ４３４、２４０°変調データ４３５、３００°変調データ４３６の６つの変調処理対応データに相当する量子状態（コヒーレント状態）を示している。原点から各円の中心までの距離は、表示するコヒーレント状態の光子数の平方根に比例している。また、円の大きさは量子状態の持つ揺らぎを表す。
【０１６０】
受信側通信端末２の位相変調器７において実行する位相変調処理は、｛９０°，−３０°，−１５０°｝のいずれかの位相変調処理である。この３つの位相変調処理は、図に軸として示す基底（受信側位相変調処理）４４１（φＢ＝９０°）、基底（受信側位相変調処理）４４２（φＢ＝−３０°）、基底（受信側位相変調処理）４４３（φＢ＝−１５０°）に相当する。
【０１６１】
平衡型ホモダイン検出を用いる図６の量子暗号通信装置１００Ａにおいて、送信側は位相変調器２２において｛０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０°，３００°｝のいずれかの変調をかけた６種類のコヒーレント状態をランダムに選択して送信し、受信側は位相変調器７において｛９０°，−３０°，−１５０°｝のいずれかの位相変調量に対応する基底をランダムに選択して位相変調を行い、フォトダイオード、増幅器などからなるホモダイン検出器１５においてホモダイン検出をおこなう。
【０１６２】
さらに、データ受信側は、測定態様情報として、適用した観測系、すなわち適用基底（受信側適用位相変調処理）情報をデータ送信側に通知し、データ送信側は、受信側において適用した位相変調処理に応じて、送信した複数の量子状態（コヒーレント状態）、すなわち、データ送信側で適用した｛０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０°，３００°｝に相当する各量子状態（コヒーレント状態）の各々に対して、ビット値を割り当てて、この割り当て情報をデータ受信側に通知する。
【０１６３】
本実施例では、受信側が９０°の変調量（Ｘ２軸）で測定した場合、送信側は｛６０°，１２０°｝のコヒーレント状態をビット１、｛２４０°、３００°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、受信側が図１９に示す９０°位相変調処理軸（φＢ＝９０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）４４１を適用した測定を行なった場合は、送信側は、６０°変調データ４３２と、１２０°変調データ４３３の２つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、２４０°変調データ４３５と、３００°変調データ４３６の２つのコヒーレント状態をビット０とする。０°変調データ４３１と、１８０°変調データ４３４の２つの態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１６４】
また、受信側が−３０°の変調量で測定、すなわち、図１９に示す−３０°位相変調処理軸（φＢ＝−３０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）４４２を適用した測定を行なった場合は、送信側は、０°変調データ４３１と、３００°変調データ４３６の２つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、１２０°変調データ４３３、１８０°変調データ４３４の２つの態様のコヒーレント状態をビット０とする。６０°変調データ４３２と、２４０°変調データ４３５の２つの態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１６５】
さらに、受信側が−１５０°の変調量で測定、すなわち、図１９に示す−１５０°位相変調処理軸（φＢ＝−１５０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）４４３を適用した測定を行なった場合は、送信側は、１８０°変調データ４３４、２４０°変調データ４３５の２つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、０°変調データ４３１と、６０°変調データ４３２の２つの態様のコヒーレント状態をビット０とする。１２０°変調データ４３３、３００°変調データ４３６の２つの態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１６６】
送信側は、受信側からの測定態様情報をデータ送信後に受け取り、受信側において適用した位相変調処理に応じて、上述のようなビット割り振りを行なう、なお、上述のビット０と１の割り振り例は一例であり、上述の割り振りの逆の態様での割り振り処理を行ってもよい。
【０１６７】
このように受信側が行った測定の種類に従って、送信側の送信した６つの量子状態中の４つにそれぞれビット値を割り振るという符号化を行うことで、６つの量子状態中４つが有効な共有情報として設定可能である。これにより、送信側と受信側の基底の不一致によって送信側と受信側で共有できなくなる情報、例えば、共有秘密鍵に貢献しない情報を１／３に削減することができる。
【０１６８】
図２０を参照して、本実施例の符号化効率について説明する。図２０に示す表において、上段から順に（Ａ）データ送信側位相変調量（φＡ）、（Ｂ）データ受信側位相変調量（φＢ）、（Ｃ）共有ビット、（Ｄ）共有可能情報率の各データを示している。
【０１６９】
（Ａ）データ送信側位相変調量（φＡ）は、図１９に示す送信側の位相変調処理によって得られる６つの変調信号、すなわち０°変調データ４３１、６０°変調データ４３２、１２０°変調データ４３３、１８０°変調データ４３４、２４０°変調データ４３５、３００°変調データ４３６、の６つの変調処理データを示している。
【０１７０】
（Ｂ）データ受信側位相変調量（φＢ）は、図１９に示す受信側の観測系として適用される３つの位相変調量、すなわち、
位相変調量＝９０°
位相変調量＝−３０°
位相変調量＝−１５０°
のいずれかである。
【０１７１】
送信側で任意に６つの位相変調信号（φＡ＝０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０，３００°）をランダムに選択し、受信側においても３つの位相変調量（φＢ＝９０°，−３０°，−１５０°）をランダムに選択した場合、図２０に示す１８通りの組み合わせが均等に発生することになる。
【０１７２】
（Ｃ）の共有ビットは、送信側と受信側で共有することとなるビット情報を示している。前述したように、受信側の観測系に応じてビット値の対応を変更しており、１８個の組み合わせの中、１２個の組み合わせにおいてビット値共有を可能としている。すなわち、送信側の６種類の位相変調と受信側の３種類の位相変調による全ての１８個の組み合わせ中、１２個の組み合わせにおいてビット値の共有が可能となり、残りの６個の組み合わせにおいてのみ、基底不一致によりビット値共有が不可となり、（Ｄ）に示すように共有可能情報率を２／３とすることができる。
【０１７３】
なお、受信側通信端末２では、先に図１６を参照して説明したように、信号を区分して判別する。すなわち、判別用の信号として適用するデータは、データ送信側位相変調量（φＡ）とデータ受信側位相変調量（φＢ）の差分データ、
φ＝｜φＡ−φＢ｜
であり、
φｍｏｄπ＝π／６、またはφｍｏｄπ＝５π／６のいずれかの検出信号を得ることで、ビット値判別が可能となる。なお、図１６示すように、しきい値（Ｘ０，−Ｘ０）を定め、観測した値としきい値をもとにビット値の決定および共有を行なう。
【０１７４】
［（４）送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例］
図６に示す量子暗号通信装置１００Ａにおいて、送信側通信装置１の位相変調器２２と、受信側通信装置２の位相変調器７とで実行する位相変調処理の対応を、図２１を参照して説明する。
【０１７５】
図２１は、送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を２基底とした位相変調処理例を示す。図に示す８つの円４２１〜４２８は、送信側通信装置１の位相変調器２２において実行する位相変調量に対応し、０°変調データ５２１、４５°変調データ５２２、９０°変調データ５２３、１３５°変調データ５２４、１８０°変調データ５２５、２２５°変調データ５２６、２７０°変調データ５２７、３１５°変調データ５２８の８つの変調処理対応データの量子状態（コヒーレント状態）を示している。原点から各円の中心までの距離は、表示するコヒーレント状態の光子数の平方根に比例している。また、円の大きさは量子状態の持つ揺らぎを表す。
【０１７６】
受信側通信端末２の位相変調器７において実行する位相変調処理は、｛０°，９０°｝のいずれかの位相変調処理であり、この２つの位相変調処理は、図にＸ１軸として示す基底（受信側位相変調処理）５４１（φＢ＝０°）、図にＸ２軸として示す基底（受信側位相変調処理）５４２（φＢ＝９０°）に相当する。
【０１７７】
原点から各円の中心までの距離は、各コヒーレント状態の平均光子数の平方根に相当するが、本実施例では、８つの変調データ中、０°変調データ５２１、９０°変調データ５２３、１８０°変調データ５２５、２７０°変調データ５２７の４つの変調データの原点からの距離と、４５°変調データ５２２、１３５°変調データ５２４、２２５°変調データ５２６、３１５°変調データ５２８の４つの変調データの原点からの距離が異なり、これらのコヒーレント状態は、異なる平均光子数に設定することが必要となる。
【０１７８】
従って、送信側通信端末装置１では、図２１に示す８つのコヒーレント状態を生成するために、光子数を変更することが必要となる。この光子数の変更は、音響光学素子２１における減衰率、あるいは透過率を、変調データの種類に応じて制御することにより、達成可能である。
【０１７９】
平衡型ホモダイン検出を用いる図６の量子暗号通信装置１００Ａにおいて、送信側は、位相変調器２２において｛０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°｝のいずれかの変調をかけ、また音響光学素子２１において強度（光子数）変調を施した８種類のコヒーレント状態をランダムに選択して送信し、受信側は、位相変調器７において｛０°，９０°｝のいずれかの位相変調量に対応する基底をランダムに選択して位相変調を行い、フォトダイオード、増幅器などからなるホモダイン検出器１５においてホモダイン検出をおこなう。
【０１８０】
さらに、受信側は、測定態様情報として、適用した観測系、すなわち適用基底（受信側適用位相変調処理）情報をデータ送信側に通知し、データ送信側は、受信側において適用した位相変調処理に応じて、送信した複数の量子状態（コヒーレント状態）、すなわち、データ送信側で適用した｛０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°｝に相当する各量子状態（コヒーレント状態）の各々に対して、ビット値を割り当てて、この割り当て情報をデータ受信側に通知する。
【０１８１】
本実施例では、受信側が０°の変調量（Ｘ１軸）で測定した場合、送信側は｛０°，４５°，３１５°｝のコヒーレント状態をビット１、｛１３５°，１８０°，２２５°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、受信側が図２１に示す０°位相変調処理軸（φＢ＝０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）５４１を適用した測定を行なった場合は、送信側は、０°変調データ５２１と、４５°変調データ５２２と、３１５°変調データ５２８の３つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、１３５°変調データ５２４と、１８０°変調データ５２５と、２２５°変調データ５２６の３つの態様のコヒーレント状態をビット０とする。９０°変調データ５２３と、２７０°変調データ５２７の２つの態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１８２】
また、受信側が９０°の変調量（Ｘ２軸）で測定した場合、送信側は｛４５°，９０°，１３５°｝のコヒーレント状態をビット１、｛２２５°，２７０°，３１５°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、受信側が図２１に示す９０°位相変調処理軸（φＢ＝９０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）５４２を適用した測定を行なった場合は、送信側は、４５°変調データ５２２、９０°変調データ５２３と、１３５°変調データ５２４の３つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、２２５°変調データ５２６と、２７０°変調データ５２７と、３１５°変調データ５２８の３つの態様のコヒーレント状態をビット０とする。０°変調データ５２１と、１８０°変調データ５２５の２つの態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１８３】
送信側は、受信側からの測定態様情報をデータ送信後に受け取り、受信側において適用した位相変調処理に応じて、上述のようなビット割り振りを行なう、なお、上述のビット０と１の割り振り例は一例であり、上述の割り振りの逆の態様での割り振り処理を行ってもよい。
【０１８４】
このように受信側が行った測定の種類に従って、送信側の送信した８つの量子状態中の６つにそれぞれビット値を割り振るという符号化を行うことで、８つの量子状態中の６つが有効な共有情報として設定可能である。したがって、送信側と受信側の基底の不一致によって送信側と受信側で共有できなくなる情報、例えば、共有秘密鍵に貢献しない情報を１／４に削減することができる。
【０１８５】
図２２を参照して、本実施例の符号化効率について説明する。図２２に示す表において、上段から順に（Ａ）データ送信側位相変調量（φＡ）、（Ｂ）データ受信側位相変調量（φＢ）、（Ｃ）共有ビット、（Ｄ）共有可能情報率の各データを示している。
【０１８６】
（Ａ）データ送信側位相変調量（φＡ）は、図２１に示す送信側の位相変調処理によって得られる８つの変調信号、すなわち０°変調データ５２１、４５°変調データ５２２、９０°変調データ５２３、１３５°変調データ５２４、１８０°変調データ５２５、２２５°変調データ５２６、２７０°変調データ５２７、３１５°変調データ５２８の８つの変調処理データを示している。
【０１８７】
（Ｂ）データ受信側位相変調量（φＢ）は、図２１に示す受信側の観測系として適用される２つの位相変調量、すなわち、
位相変調量＝０°
位相変調量＝９０°
のいずれかである。
【０１８８】
送信側で任意に８つの位相変調信号（φＡ＝０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°）をランダムに選択し、受信側においても２つの位相変調量（φＢ＝０°，９０°）をランダムに選択した場合、図２２に示す１６通りの組み合わせが均等に発生することになる。
【０１８９】
（Ｃ）の共有ビットは、送信側と受信側で共有することとなるビット情報を示している。前述したように、受信側の観測系に応じてビット値の対応を変更しており、１６個の組み合わせ中、１２個の組み合わせにおいてビット値の共有を可能としている。すなわち、送信側の８種類の位相変調と受信側の２種類の位相変調による１６個の組み合わせ中、１２個の組み合わせにおいてビット値の共有が可能となり、残りの４個の組み合わせにおいてのみ、基底不一致によりビット値の共有が不可となる。したがって、（Ｄ）に示すように共有可能情報率を３／４とすることができる。
【０１９０】
なお、受信側通信端末２では、先に図１６を参照して説明したように、信号を区分して判別する。すなわち、判別用の信号として適用するデータは、データ送信側位相変調量（φＡ）とデータ受信側位相変調量（φＢ）の差分データ、
φ＝｜φＡ−φＢ｜
であり、
φｍｏｄπ＝０、π／４、またはφｍｏｄπ＝３π／４のいずれかの検出信号を得ることで、ビット値判別が可能となる。なお、図１６示すように、しきい値（Ｘ０，−Ｘ０）を定め，観測した値としきい値をもとにビット値の決定および共有を行なう。
【０１９１】
［（５）送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を４基底とした処理例］
図６に示す量子暗号通信装置１００Ａにおいて、送信側通信装置１の位相変調器２２と、受信側通信装置２の位相変調器７とで実行する位相変調処理の対応を、図２３を参照して説明する。
【０１９２】
図２３は、送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を４基底とした位相変調処理例を示す。この処理例は、上述した実施例で説明した送信側適用位相変調量を８状態とした構成と同様、送信側位相変調量を８状態とするが、光子数の調整、すなわち強度変調処理を行わない構成例である。
【０１９３】
図２３に示す８つの円６０１〜６０８は、送信側通信装置１の位相変調器２２において実行する位相変調量に対応し、２２．５°変調データ６０１、６７．５°変調データ６０２、１１２．５°変調データ６０３、１５７．５°変調データ６０４、２０２．５°変調データ６０５、２４７．５°変調データ６０６、２９２．５°変調データ６０７、３３７．５°変調データ６２８の８つの変調処理対応データの量子状態（コヒーレント状態）を示している。原点から各円の中心までの距離は、表示するコヒーレント状態の光子数の平方根に比例している。また、円の大きさは量子状態の持つ揺らぎを表す。
【０１９４】
受信側通信端末２の位相変調器７において実行する位相変調処理は、｛０°，４５°，９０°，１３５°｝のいずれかの位相変調処理であり、この４つの位相変調処理は、図にＸ１軸として示す基底（受信側位相変調処理）６２１（φＢ＝０°）、図にＸ1/2軸として示す基底（受信側位相変調処理）６２２（φＢ＝４５°）、図にＸ２軸として示す基底（受信側位相変調処理）６２３（φＢ＝９０°）、図にＸ3/2軸として示す基底（受信側位相変調処理）６２４（φＢ＝１３５°）に相当する。本実施例では原点から各円の中心までの距離は、すべて等しく設定され、これらのコヒーレント状態を同一の光子数とすることが可能であり、音響光学素子２１における強度変調は不要である。
【０１９５】
本実施例において、送信側は位相変調器２２において｛２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°｝のいずれかの変調をかけた８種類のコヒーレント状態をランダムに選択して送信し、受信側は位相変調器７において｛０°，４５°，９０°，１３５°｝のいずれかの位相変調量に対応する基底をランダムに選択して位相変調を行い、フォトダイオード、増幅器などからなるホモダイン検出器１５においてホモダイン検出をおこなう。
【０１９６】
さらに、受信側は、測定態様情報として、適用した観測系、すなわち適用基底（受信側適用位相変調処理）情報をデータ送信側に通知し、データ送信側は、受信側において適用した位相変調処理に応じて、送信した複数の量子状態（コヒーレント状態）、すなわち、データ送信側で適用した｛２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°｝に相当する各量子状態（コヒーレント状態）の各々に対して、ビット値を割り当てて、この割り当て情報をデータ受信側に通知する。
【０１９７】
本実施例では、受信側が０°の変調量（Ｘ１軸）で測定した場合、送信側は｛２２．５°，６７．５°，２９２．５°，３３７．５°｝のコヒーレント状態をビット１、｛１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、受信側が図２３に示す０°位相変調処理軸（φＢ＝０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）６２１を適用した測定を行なった場合は、送信側は、２２．５°変調データ６０１、６７．５°変調データ６０２、２９２．５°変調データ６０７、３３７．５°変調データ６０８の４つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、１１２．５°変調データ６０３、１５７．５°変調データ６０４、２０２．５°変調データ６０５、２４７．５°変調データ６０６の４つの態様のコヒーレント状態をビット０とする。
【０１９８】
また、受信側が４５°の変調量（Ｘ1/2軸）で測定した場合、送信側は｛２２．５°，６７．５°，１１２．５°，３３７．５°｝のコヒーレント状態をビット１、｛１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、受信側が図２３に示す４５°位相変調処理軸（φＢ＝４５°）に相当する基底（受信側位相変調処理）６２２を適用した測定を行なった場合は、送信側は、２２．５°変調データ６０１、６７．５°変調データ６０２、１１２．５°変調データ６０３、３３７．５°変調データ６０８の４つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、１５７．５°変調データ６０４、２０２．５°変調データ６０５、２４７．５°変調データ６０６、２９２．５°変調データ６０７の４つの態様のコヒーレント状態をビット０とする。
【０１９９】
また、受信側が９０°の変調量（Ｘ２軸）で測定した場合、送信側は｛２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°｝のコヒーレント状態をビット１、｛２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、受信側が図２３に示す９０°位相変調処理軸（φＢ＝９０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）６２３を適用した測定を行なった場合は、送信側は、２２．５°変調データ６０１、６７．５°変調データ６０２、１１２．５°変調データ６０３、１５７．５°変調データ６０４の４つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、２０２．５°変調データ６０５、２４７．５°変調データ６０６、２９２．５°変調データ６０７、３３７．５°変調データ６０８の４つの態様のコヒーレント状態をビット０とする。
【０２００】
さらに、受信側が１３５°の変調量（Ｘ3/2軸）で測定した場合、送信側は｛６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°｝のコヒーレント状態をビット１、｛２２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、受信側が図２３に示す１３５°位相変調処理軸（φＢ＝１３５°）に相当する基底（受信側位相変調処理）６２４を適用した測定を行なった場合は、送信側は、６７．５°変調データ６０２、１１２．５°変調データ６０３、１５７．５°変調データ６０４、２０２．５°変調データ６０５の４つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、２２．５°変調データ６０１、２４７．５°変調データ６０６、２９２．５°変調データ６０７、３３７．５°変調データ６０８の４つの態様のコヒーレント状態をビット０とする。
【０２０１】
送信側は、受信側からの測定態様情報をデータ送信後に受け取り、受信側において適用した位相変調処理に応じて、上述のようなビット割り振りを行なう、なお、上述のビット０と１の割り振り例は一例であり、上述の割り振りの逆の態様での割り振り処理を行ってもよい。
【０２０２】
このように受信側が行った測定の種類に従って、送信側の送信した８つの量子状態中の８つ全てにそれぞれビット値を割り振るという符号化を行うことで、すべての量子状態を有効な共有情報として設定可能となる。送信側と受信側の基底の不一致によって送信側と受信側で共有できなくなる情報、例えば、共有秘密鍵に貢献しない情報をゼロとすることができる。
【０２０３】
図２４を参照して、本実施例の符号化効率について説明する。図２４に示す表において、上段から順に（Ａ）データ送信側位相変調量（φＡ）、（Ｂ）データ受信側位相変調量（φＢ）、（Ｃ）共有ビット、（Ｄ）共有可能情報率の各データを示している。
【０２０４】
（Ａ）データ送信側位相変調量（φＡ）は、図２３に示す送信側の位相変調処理によって得られる８つの変調信号、すなわち２２．５°変調データ６０１、６７．５°変調データ６０２、１１２．５°変調データ６０３、１５７．５°変調データ６０４、２０２．５°変調データ６０５、２４７．５°変調データ６０６、２９２．５°変調データ６０７、３３７．５°変調データ６０８の８つの変調処理データを示している。
【０２０５】
（Ｂ）データ受信側位相変調量（φＢ）は、図２３に示す受信側の観測系として適用される４つの位相変調量、すなわち、
位相変調量＝０°
位相変調量＝４５°
位相変調量＝９０°
位相変調量＝１３５°
のいずれかである。
【０２０６】
送信側で任意に８つの位相変調信号（φＡ＝２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°）をランダムに選択し、受信側においても４つの位相変調量（φＢ＝０°，４５°，９０°，１３５°）をランダムに選択した場合、図２４に示す３２通りの組み合わせが均等に発生することになる。
【０２０７】
（Ｃ）の共有ビットは、送信側と受信側で共有することとなるビット情報を示している。前述したように、受信側の観測系に応じてビット値の対応を変更しており、３２個の全ての組み合わせにおいて、ビット値の共有を可能としている。すなわち、送信側の８種類の位相変調と受信側の４種類の位相変調による３２個の全ての組み合わせにおいて、ビット値の共有が可能となり、（Ｄ）に示すように共有可能情報率を１００％とすることができる。共有秘密情報に貢献しない情報をゼロとすることができる上、状態と測定法が増えるため、盗聴者の攻撃法がより複雑になり、盗聴の困難性を増加させることが可能であり、盗聴される可能性が従来手法より低くなることで、安全性が向上する。
【０２０８】
［（６）適用位相変調量をＮ状態とした一般化処理例］
上述した実施例においては、
（１）送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例
（２）送信側位相変調量を３状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例
（３）送信側位相変調量を６状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例
（４）送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例
（５）送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を４基底とした処理例
の各実施例について説明してきた。しかし、第２の方式は、これらの各実施例に限定されるものではなく、他にも様々な態様が設定可能である。以下、これらの処理例について説明する。
【０２０９】
（Ａ）送信側位相変調量を４Ｎ状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例
図６に示す量子暗号通信装置１００Ａにおいて、送信側通信装置１の位相変調器２２と、受信側通信装置２の位相変調器７とで実行する位相変調処理の各々について、送信側位相変調量を４Ｎ状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例について説明する。ここで、Ｎを正の整数（Ｎ＝１，２，・・・）とする。
【０２１０】
送信側端末装置１の位相変調器２２は、
ｊ＝０，１，・・・，４Ｎ−１
からランダムに選択した値ｊを適用して、
位相変調量：（π／２Ｎ）ｊ＋（π／４Ｎ）
の位相変調処理を実行する。
【０２１１】
一方、受信側通信端末２の位相変調器７は、｛０°，９０°｝いずれかの位相変調処理を適用したホモダイン検出を実行する。
【０２１２】
本処理例は、例えば、Ｎ＝１とした場合、先に説明した（１）送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例に相当する処理となり、先の実施例において図１５を参照して説明したように、データ送受信両側において転送データから共有可能なビット情報の割合、すなわち共有可能情報率を１００％とすることが可能となり、無駄な送信データを全く発生させることがない。
【０２１３】
（Ｂ）送信側位相変調量を４Ｎ状態、受信側位相変調基底を２Ｎ基底とした処理例
図６に示す量子暗号通信装置１００Ａにおいて、送信側通信装置１の位相変調器２２と、受信側通信装置２の位相変調器７とで実行する位相変調処理の各々について、送信側位相変調量を４Ｎ状態、受信側位相変調基底を２Ｎ基底とした処理例について説明する。ここで、Ｎを正の整数（Ｎ＝１，２，・・・）とする。
【０２１４】
送信側通信端末１の位相変調器２２は、
ｊ＝０，１，・・・，４Ｎ−１
からランダムに選択した値ｊを適用して、
位相変調量：（π／２Ｎ）ｊ＋（π／４Ｎ）
の位相変調処理を実行する。
【０２１５】
一方、受信側通信端末２の位相変調器７は、
ｋ＝０，１，・・・，２Ｎ−１
からランダムに選択した値ｋを適用して、
｛（π／２Ｎ）ｋ°｝の位相変調処理を適用したホモダイン検出を実行する。
本処理例は、たとえばＮ＝１とした場合、先に説明した（１）送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例に相当する処理となり、先の実施例において５を参照して説明したように、データ送受信両側において転送データから共有可能なビット情報の割合、すなわち共有可能情報率を１００％とすることが可能となり、無駄な送信データを全く発生させることがない。
【０２１６】
また、本処理例は、Ｎ＝２とした場合、先に説明した（５）送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を４基底とした処理例に相当する処理となり、先の実施例において４を参照して説明したように、データ送受信両側において転送データから共有可能なビット情報の割合、すなわち共有可能情報率を１００％とすることができ、さらに、転送データのコヒーレント状態と測定法が増えるため、盗聴者の攻撃法がより複雑になり、盗聴の困難性を増加させることが可能であり、盗聴される可能性が従来手法より低くなることで、安全性が向上する。
【０２１７】
上述した実施例（１）〜（５）には、上述の（Ａ），（Ｂ）の手法によって定義されない処理例も含まれる。上述した実施例（１）〜（５）処理構成を、より一般化して定義すると以下のようにまとめることができる。
【０２１８】
まず、データ送信側では、送信データとして、有限個の量子状態（コヒーレント状態）を設定する。
有限個の量子状態（コヒーレント状態）の設定処理は、
ａ）Ｍ≧２の整数を選択
ｂ）位相変調量を２π／Ｍの整数倍からランダムに選択
ｃ）上記の選択位相変調量に基づく位相変調処理を、図６を参照して説明した送信側通信端末１の位相変調器２２において実行して送信する。
【０２１９】
以上の処理が、データ送信側の処理となる。なお、先に図２１を参照して説明したように、異なる光子数の量子状態（コヒーレント状態）を設定することが必要となる場合は、音響光学素子２１により光子数調整（強度変調）処理を実行する。
【０２２０】
一方、データ受信側では、データ送信側から送信されるデータとしての有限個のコヒーレント状態を観測する処理を行なうことになる。観測処理は、
ａ）観測系として２以上の複数の基底（異なる複数の位相変調処理）を設定
ｂ）設定した複数の観測系をランダムに選択して、ホモダイン検出処理を実行
上述の観測処理は、図６を参照して説明した受信側通信端末２の位相変調器７においてランダムに選択した複数の基底（異なる複数の位相変調処理）を適用し、ホモダイン検出による検出処理として実行される。
【０２２１】
さらに、データ受信側は、測定態様情報として、適用した観測系、すなわち適用基底（受信側適用位相変調処理）情報をデータ送信側に通知し、データ送信側は、受信側において適用した位相変調処理に応じて、送信した複数の量子状態（コヒーレント状態）、すなわち、データ送信側で適用した［Ｍ：Ｍ≧２の整数］に応じた２π／Ｍの整数倍に相当する複数個の量子状態（コヒーレント状態）の各々に対して、ビット値を割り当て、この割り当て情報をデータ受信側に通知する。ただし、データ受信側において適用した基底（受信側適用位相変調処理）による測定が困難と判定される量子状態は、ビット割り当て対象から排除する処理を行なう。
【０２２２】
この処理によって、例えば、上述した処理例各々について、以下の情報共有が可能となる。
（１）送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例
この処理例では、送信側位相変調量を４状態すべてにビット情報が割り当てられ、全てのデータ、すなわち送信側で適用された位相変調量の４状態全てが有効なビット情報としてデータ送受信側双方で共有できる（図１５参照）。
【０２２３】
（２）送信側位相変調量を３状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例
この処理例では、送信側位相変調量３状態中、２／３の量子状態にビット情報が割り当てられ、２／３のデータ、すなわち送信側で適用された位相変調量の３状態中、２／３が有効なビット情報としてデータ送受信側双方で共有できる（図１８参照）。
【０２２４】
（３）送信側位相変調量を６状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例
この処理例では、送信側位相変調量６状態中、２／３の量子状態にビット情報が割り当てられ、２／３のデータ、すなわち送信側で適用された位相変調量の６状態中、２／３が有効なビット情報としてデータ送受信側双方で共有できる（図２０参照）。
【０２２５】
（４）送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例
この処理例では、送信側位相変調量８状態中、３／４の量子状態にビット情報が割り当てられ、３／４のデータ、すなわち送信側で適用された位相変調量８状態中、３／４が有効なビット情報としてデータ送受信側双方で共有できる（図２２参照）。
（５）送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を４基底とした処理例
この処理例では、送信側位相変調量８状態中、全ての量子状態にビット情報が割り当てられ、全ての状態が有効なビット情報としてデータ送受信側双方で共有できる（図２４参照）。この例では、情報共有率は１００％である。また、状態と測定法が増えるため，盗聴者の攻撃法がより複雑になり、盗聴の困難性を増加させることが可能であり、盗聴される可能性が従来手法より低くなり、安全性が向上する。
【０２２６】
「単一光子方式量子鍵配布プロトコルにおける実施形態」
図２５は、第２の実施の形態としての量子暗号通信装置２００の構成を示している。この量子暗号通信装置２００は、単一光子検出変数方式量子鍵配布プロトコルに対応している。この量子暗号通信装置２００は、送信側通信端末２０１と、受信側通信端末２０２と、これら２つの通信端末を結ぶ通信路１０３からなっている。
【０２２７】
受信側通信端末２０２は、レーザ光源２２１、サーキュレータ２２２、フィルタ２２３，２２５、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）２２４，２２６、分岐比１対１のカプラ２２７、位相変調器２２８、遅延用ファイバ２２９および偏光カプラ２３０を有している。ここで、カプラ２２７は光分岐部を構成し、位相変調器２２８は第１の位相変調器を構成し、遅延用ファイバ２２９は遅延器を構成し、偏光カプラ２３０は第１の光送出部および光分離部を構成し、ＡＰＤ２２４，２２６は通信情報取得部を構成している。また、カプラ２２７から位相変調器２２８を介して偏光カプラ２３０に至る光路は第１の光路を構成し、カプラ２２７から遅延用ファイバ２２９を介してカプラ２３０に至る光路は第２の光路を構成している。
【０２２８】
送信側通信端末２０２は、音響光学素子２１１、位相変調器２１２およびファラデーミラー２１３を有している。音響光学素子２１１は光減衰部、周波数シフト部および第２の光送出部を構成し、位相変調器２１２は第２の位相変調器を構成している。
【０２２９】
以下、量子暗号を適用した通信処理の動作シーケンスに従って、各構成部における処理の詳細を説明する。受信側通信端末２０２のレーザ光源２２１で発生するパルス光が、通信路２０３を介して送信側通信端末２０１に送信され、そのパルス光が再度通信路を介して受信側通信端末２０２に戻ってくるという順番で動作するので、その順番に従って説明する。
【０２３０】
受信側通信端末２０２のレーザ光源２２１から出射したパルス光は、サーキュレータ２２２を通過し、分岐比が１対１のカプラ２２７へ入射する。サーキュレータ２２７は、レーザ光源２２１からの光がカプラ２２７へ出力され、カプラ２２７から戻ってきた光がフィルタ２２３へ出力されるように光路制御を実行する。
【０２３１】
レーザ光源２２１から出射したパルス光は、カプラ２２７において、パルス光Ｐ１と、パルス光Ｐ２とに分岐される。カプラ２２７で分岐されたパルス光Ｐ１は、位相変調器２２８を介して偏光カプラ２３０に入射される。ただし、このときには、位相変調器２２８は動作させない。一方、カプラ２２７で分岐されたパルス光Ｐ２は、遅延ファイバ２２９を介して偏光カプラ２３０に入射される。
【０２３２】
以下、この実施の形態においては、パルス光Ｐ１を信号光とし、パルス光Ｐ２を参照光として説明する。しかし、パルス光Ｐ１を参照光とし、パルス光Ｐ２を信号光とする構成も可能である。また、遅延ファイバ２２９を位相変調器２２８側の光路上に設置する光学系も可能である。
【０２３３】
パルス光Ｐ１（以下、「信号光Ｐ１」という）およびパルス光Ｐ２（以下、「参照光Ｐ２」という）は、偏光カプラ２３０の入射時に、一方が水平偏光であるとき他方は垂直偏光である設定となっている。例えば、信号光Ｐ１は水平偏光とされ、参照光Ｐ２は垂直偏光とされる。信号光Ｐ１、参照光Ｐ２は偏光カプラ２３０を通して通信路２０３に入力される。ただし、遅延ファイバ２２９により、信号光Ｐ１は、参照光Ｐ２より先に、通信路２０３に入力される。図では、受信側通信端末２０２から送信側通信端末２０１へ向かう信号光Ｐ１、参照光Ｐ２を実線矢印で示し、送信側通信端末２０１から受信側通信端末２０２へ戻る信号光Ｐ１、参照光Ｐ２を点線矢印で示している。
【０２３４】
受信側通信端末２０２から送られてくる信号光Ｐ１、参照光Ｐ２は、通信路２０３から送信側通信端末２０１に入射される。送信側通信端末２０１において、通信路２０３から入射された信号光Ｐ１、参照光Ｐ２は、音響光学素子２１１、位相変調器２１２、ファラデーミラー２１３の順にたどる。そして、これら信号光Ｐ１、Ｐ２は、ファラデーミラー２１３による偏光回転、反射を経た後、位相変調器２１２、音響光学素子２１１を再び通過して、当該音響光学素子２１１から通信路２０３に出射される。
【０２３５】
この送信側通信端末２０１において、信号光Ｐ１は、音響光学素子２１１により減衰されると共に、位相変調器２１２により通信情報に基づいて位相変調される。信号光Ｐ１は、出射時の平均光子数が、例えば０．５個程度になるように音響光学素子２１１により減衰される。また、信号光Ｐ１は、パルス毎に、例えば、φＡ∈｛０，π／２，π，３π／２}の中からランダムに１つが選択されて、位相変調器２１２により位相変調される。
【０２３６】
また、送信側通信端末２０１において、信号光Ｐ１および参照光Ｐ２は、音響光学素子２１１により、その周波数が高い方にシフトされる。上述したように、音響光学素子２１１は、光減衰部および周波数シフト部を構成している。この音響光学素子２１１は、上述した量子暗号通信装置１００の送信側通信端末１０１における音響光学素子１１１と同様の構造とされている（図２参照）。
【０２３７】
送信側通信端末２０１から通信路２０３を介して戻ってくる信号光Ｐ１、参照光Ｐ２は、当該通信路２０３から受信側通信端末２０２の偏光カプラ２３０に入射される。送信側通信端末２０１のファラデーミラー２１３によって偏光方向が回転され、また、通信路２０３を往復通過することにより、通信路２０３上での偏光揺らぎが相殺されることで、偏光カプラ２３０への入射直前では、信号光Ｐ１の偏光方向は垂直となり、参照光Ｐ２の偏光方向は水平となる。
【０２３８】
そのため、信号光Ｐ１は、受信側通信端末２０２に戻ってきた後、偏光カプラ２３０から遅延ファイバ２２９を介してカプラ２２７に入射される。また、参照光Ｐ２は、受信側通信端末２０２に戻ってきた後、偏光カプラ２３０から位相変調器２２８を介してカプラ２２７に入射される。この位相変調器１２５において、参照光Ｐ２は、パルス毎に、φＢ∈｛０，π／２}の中からランダムに１つが選択されて位相変調される。
【０２３９】
カプラ２２７と偏光カプラ２３０の間の信号光Ｐ１、参照光Ｐ２の経路については、受信側通信端末２０２から送信側通信端末２０１へ向かう場合と、逆に送信側通信端末２０１から受信側通信端末２０２へ戻った場合とで、入れ替わる。そのため、カプラ２２７には、信号光Ｐ１と参照光Ｐ２とが同時刻に到達する。信号光Ｐ１と参照光Ｐ２とはカプラ２２７で干渉し、２つの端子からの出射したパルス光は、一方はフィルタ２２５を介してＡＰＤ２２６に入射され、もう一方は、サーキュレータ２２２およびフィルタ２２３を介してＡＰＤ２２４に入射される。
【０２４０】
この場合、信号光Ｐ１と参照光Ｐ２との位相差が０である場合には、カプラ２２７からフィルタ２２５側にパルス光が出力される。また、信号光Ｐ１と参照光Ｐ２との位相差がπである場合には、カプラ２２７からサーキュレータ２２２側にパルス光が出力される。さらに、信号光Ｐ１と参照光Ｐ２との位相差がπ／２または３π／２である場合には、半々の確率で、カプラ２２７からフィルタ２２５側またはサーキュレータ２２２側にパルス光が出力される。
【０２４１】
ここで、フィルタ２２３，２２５の特性は、レーザ光源２２１から発生されるパルス光、後方散乱光、および後方散乱光の透過率は低く、音響光学素子２１１により周波数シフトされた信号光Ｐ１の透過率は高くなるように設定される。つまり、フィルタ２２３，２２５は、周波数シフトされた信号光Ｐ１の周波数帯域に合わせた通過帯域を持つ。これにより、単一光子検出器としてのＡＰＤ２２４，２２６には、後方散乱光等の不要な光は供給されない。各ＡＰＤ２２４，２２６の出力により通信情報が取得される。
【０２４２】
図２５に示す量子暗号通信装置２００においては、送信側通信端末２０１の音響光学素子２１１により、信号光Ｐ１、参照光Ｐ２の周波数が高い方向にシフトされ、当該周波数シフトされた信号光Ｐ１、参照光Ｐ２が受信側通信端末２０２に戻ってくる。そのため、当該信号光Ｐ１、参照光Ｐ２の周波数は、光ファイバ内で発生する、周波数が同じか、低くなる後方散乱光の周波数とはずれたものとなる。フィルタ２２３，２２５の特性は、周波数シフトされた信号光Ｐ１に対する透過率は高く、一方後方散乱光の透過率は低くなるように設定されている。したがって、ＡＰＤ２２４，２２６への後方散乱光の入射が抑制されるため、信号光Ｐ１の検出に悪影響を及ぼすことを防止できる。
【０２４３】
また、図２５に示す量子暗号通信装置２００においては、送信側通信端末２０１の音響光学素子２１１は光減衰部の他に、周波数シフト部としても機能する。そのため、周波数シフト部を設けたとしても、光減衰用の制御信号の他に周波数シフト用の制御信号が必要となることはなく、周波数シフトのための励起光が必要となることもなく、消費電力が増加し、装置も複雑となるということはない。
【０２４４】
また、図２５に示す量子暗号通信装置２００においては、送信側通信端末１０１の音響光学素子２１１は光減衰部の他に、周波数シフト部としても機能する。そのため、信号光Ｐ１、参照光Ｐ２の周波数をシフトする周波数シフト部を設けたとしても、光路に挿入される光学素子の個数が増加しないので透過率変動が増すということがなく、微弱光を扱う量子暗号の性能に影響を及ぼすということはない。
【産業上の利用可能性】
【０２４５】
この発明は、量子暗号の性能等を低下させることなく、後方散乱光の影響を回避できるものであり、往復型光学系を特徴とする、例えば秘密鍵暗号方式における秘密鍵等の秘密情報を交換する量子暗号通信装置等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０２４６】
【図１】第１の実施の形態としての量子暗号通信装置（連続変数方式量子鍵配布プロトコル）の構成例を示すブロック図である。
【図２】周波数シフト部および光減衰部として機能する音響光学素子の具体的な構造を示す図である。
【図３】音響光学素子による周波数シフトの様子を示す図である。
【図４】ホモダイン検出器の構成例（フィルタなし）を示す図である。
【図５】ホモダイン検出器の構成例（フィルタあり）を示す図である。
【図６】第１の方式、つまり４状態の位相変調された微弱コヒーレント状態を用いる方式を採用した量子暗号通信装置の具体例を示すブロック図である。
【図７】量子暗号処理を適用した情報通信処理について説明するための図（１／３）である。
【図８】量子暗号処理を適用した情報通信処理について説明するための図（２／３）である。
【図９】量子暗号処理を適用した情報通信処理について説明するための図（３／３）である。
【図１０】通信路において通信データの盗聴が行なわれている場合における、相互の通知ビットのずれを示す図である。
【図１１】第１の方式、つまり４状態の位相変調された微弱コヒーレント状態を用いる方式において、有効な情報として共有可能なデータについて説明する図である。
【図１２】第１の方式、つまり４状態の位相変調された微弱コヒーレント状態を用いる方式において、有効な情報として共有可能なデータ、基底の一致、不一致について説明する図である。
【図１３】第２の方式、つまり任意のコヒーレント状態と任意の位相方向で測定する方式において、送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例に対応するデータ送信側位相変調処理と、データ受信側の位相変調処理について説明する図である。
【図１４】コヒーレント状態表示について説明する図である。
【図１５】送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例おける符号化効率について説明する図である。
【図１６】データ受信側の検出処理におけるしきい値を適用したビット判別処理について説明する図である。
【図１７】第２の方式、つまり任意のコヒーレント状態と任意の位相方向で測定する方式において、送信側位相変調量を３状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例に対応するデータ送信側位相変調処理と、データ受信側の位相変調処理について説明する図である。
【図１８】送信側位相変調量を３状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例おける符号化効率について説明する図である。
【図１９】第２の方式、つまり任意のコヒーレント状態と任意の位相方向で測定する方式において、送信側位相変調量を６状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例に対応するデータ送信側位相変調処理と、データ受信側の位相変調処理について説明する図である。
【図２０】送信側位相変調量を６状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例おける符号化効率について説明する図である。
【図２１】第２の方式、つまり任意のコヒーレント状態と任意の位相方向で測定する方式において、送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例に対応するデータ送信側位相変調処理と、データ受信側の位相変調処理について説明する図である。
【図２２】送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例おける符号化効率について説明する図である。
【図２３】第２の方式、つまり任意のコヒーレント状態と任意の位相方向で測定する方式において、送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を４基底とした処理例に対応するデータ送信側位相変調処理と、データ受信側の位相変調処理について説明する図である。
【図２４】送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を４基底とした処理例おける符号化効率について説明する図である。
【図２５】第２の実施の形態としての量子暗号通信装置（単一光子方式量子鍵配布プロトコル）の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０２４７】
１・・・送信側通信端末、２・・・受信側通信端末、３・・・通信路、４・・・レーザ光源、５・・・サーキュレータ、６・・・ビームスプリッタ、７・・・位相変調器、８・・・遅延器、９・・・ビームスプリッタ、１０・・・偏光ビームスプリッタ、１２・・・検出器、１５・・・ホモダイン検出器、１７・・・コントローラ、１９・・・ビームスプリッタ、２０・・・遅延器、２１・・・音響光学素子、２２・・・位相変調器、２４・・・ファラデーミラー、２６・・・検出器、２８・・・コントローラ、１００，１００Ａ・・・量子暗号通信装置、１０１・・・送信側通信端末、１０２・・・受信側通信端末、１０３・・・通信路、１１１・・・音響光学素子、１１２・・・位相変調器、１１３・・・ファラデーミラー、１２１・・・レーザ光源、１２２・・・サーキュレータ、１２３・・・ホモダイン検出器、１２４・・・カプラ、１２５・・・位相変調器、１２６・・・遅延ファイバ、１２７・・・偏光カプラ、１２８，１２９・・・光ファイバ、１３０ａ，１３０ｂ・・・フィルタ、２００・・・量子暗号通信装置、２０１・・・送信側通信端末、２０２・・・受信側通信端末、２０３・・・通信路、２１１・・・音響光学素子、２１２・・・位相変調器、２１３・・・ファラデーミラー、２２１・・・レーザ光源、２２２・・・サーキュレータ、２２３，２２５・・・フィルタ、２２４，２２６・・・アバランシェフォトダイオード、２２７・・・カプラ、２２８・・・位相変調器、２２９・・・遅延ファイバ、２３０・・・偏光カプラ
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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