(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子もつれ光子対を発生させる光源部と、
第１の起点時刻ｔ０ａから第１の終点時刻ｔ０ａ＋Ｔまでの第１の検出時間Ｔの間に、前記量子もつれ光子対の一方の光子を受光し、該光子を受光した時刻を示す第１の時刻情報、及び、該光子の観測基底を示す第１の観測基底情報と観測値を示す第１のビット値情報とからなる第１の量子情報を含む第１の生鍵Ａを取得する第１の検出部、並びに、
前記第１の検出部から前記第１の生鍵Ａを受け取る第１の信号処理部
を有する第１の側の装置と、
第２の起点時刻ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ−Δτから、第２の終点時刻ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ＋Ｔ＋Δτまでの第２の検出時間Ｔ＋２Δτの間に、前記量子もつれ光子対の他方の光子を受光し、該光子を受光した時刻を示す第２の時刻情報、及び、該光子の観測基底を示す第２の観測基底情報と観測値を示す第２のビット値情報とからなる第２の量子情報を含む第２の生鍵Ｂを取得する第２の検出部、並びに、
前記第２の検出部から前記第２の生鍵Ｂを受け取る第２の信号処理部
を有する第２の側の装置と、
前記第２の信号処理部が有する前記第２の時刻情報と前記第２の観測基底情報を前記第１の信号処理部に送信する古典チャンネルと、
前記第１の信号処理部に設けられ、補正起点時刻ｔｃを最小伝搬遅延時間差ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ−Δτから最大伝搬遅延時間差ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ＋Δτの間で変化させて、それぞれの補正起点時刻ｔｃについて、前記第１の時刻情報と前記第２の時刻情報の同時検出回数を取得し、該同時検出回数が最大となる補正起点時刻ｔｃと前記第１の起点時刻ｔ０ａの差ｔｃ−ｔ０ａを時間原点情報ΔＴｄｅｌａｙ．ｏｐｔとして取得する時間同期部と
を備え、
前記第１の信号処理部が、前記時間原点情報ΔＴｄｅｌａｙ．ｏｐｔを用いて、前記第１の量子情報と前記第２の量子情報を時間同期させた後、前記第１及び第２の信号処理部は、暗号鍵を生成する
ことを特徴とする量子鍵配送システム。
【請求項２】
光源部と、第１の検出部と、第２の検出部と、第１の信号処理部と、第２の信号処理部と、前記第１の信号処理部に設けられた時間同期部とを備える量子鍵配送システムにおいて行われる時間同期方法であって、
前記第１の検出部において第１の起点時刻ｔ０ａから第１の終点時刻ｔ０ａ＋Ｔまでの第１の検出時間Ｔの間に、前記光源部が発生させた量子もつれ光子対の一方の光子を受光して得られる、第１の時刻情報と、観測基底を示す第１の観測基底情報と観測値を示す第１のビット値情報とからなる第１の量子情報を含む第１の生鍵Ａを取得するとともに、前記第２の検出部において、第２の起点時刻ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ−Δτから、第２の終点時刻ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ＋Ｔ＋Δτまでの第２の検出時間Ｔ＋２Δτの間に、前記量子もつれ光子対の他方の光子を受光して得られる、第２の時刻情報と、観測基底を示す第２の観測基底情報と観測値を示す第２のビット値情報とからなる第２の量子情報を含む第２の生鍵Ｂを取得する過程と、
前記第１の信号処理部が、前記第１の検出部から前記第１の生鍵Ａを受け取るとともに、前記第２の信号処理部が、前記第２の検出部から前記第２の生鍵Ｂを受け取る過程と、
前記第２の信号処理部が有する前記第２の時刻情報と前記第２の観測基底情報を前記第１の信号処理部に送信する過程と、
前記時間同期部が、前記第１の時刻情報及び前記第２の時刻情報を取得する過程と、
補正起点時刻ｔｃを最小伝搬遅延時間差ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ−Δτから最大伝搬遅延時間差ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ＋Δτの間で変化させて、それぞれの補正起点時刻ｔｃについて、前記第１の時刻情報と前記第２の時刻情報の同時検出回数を取得し、該同時検出回数が最大となる補正起点時刻ｔｃと第１の起点時刻ｔ０ａの差ｔｃ−ｔ０ａを時間原点情報ΔＴｄｅｌａｙ．ｏｐｔとして取得する過程と、
前記第１の信号処理部が、前記時間原点情報ΔＴｄｅｌａｙ．ｏｐｔを用いて、前記第１の量子情報と前記第２の量子情報を時間同期させた後、前記第１及び第２の信号処理部が、暗号鍵を生成する過程と
を備えることを特徴とする時間同期方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、送受信者間で光子を検出する際の時間情報を同期させることができる、量子もつれ光子対を利用した量子鍵配送システム、及び、このシステムで用いて好適な時間同期方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報漏洩のない安全な暗号通信を実現するためには、情報の暗号化・復号化に利用する暗号鍵を盗聴者などの第三者に知られることなく、送信者と受信者とが共有することが必須である。
【０００３】
量子鍵配送システムは、物理法則に則って究極の無条件安全性が保障された暗号鍵配送システムとして注目され、将来の高セキュリティ情報通信システムへの応用を目指した研究開発が近年活発化している。
【０００４】
量子鍵配送システムは、例えば、単一光子光源を用いて実現される。単一光子光源は、理想的には、１パルスあたり１個の光子を発生する。単一光子光源を用いた量子鍵配送システムでは、暗号鍵を共有する二者の一方が単一光子を発生して他方へ送り、他方がその光子を単一光子検出器で受光する。その後、観測基底情報の交換や誤り訂正、秘匿増幅のプロセスを経て最終的な暗号鍵の共有を行う。
【０００５】
また、量子鍵配送システムは、量子もつれ光源を用いて実現することもできる。量子もつれ光源は、理想的には、１パルスあたり１組の量子もつれ光子対を発生する。量子もつれ光源を用いた量子鍵配送システムでは、暗号鍵を共有する二者がそれぞれ量子もつれ光子対を構成する光子の一方ずつを単一光子受信器で受光することにより暗号鍵の共有を行う。
【０００６】
単一光子光源又は量子もつれ光源を用いた量子鍵配送システムでは、暗号鍵を共有する二者の時間同期は必須である。すなわち、暗号鍵を共有する二者は暗号鍵を共有するに当たり、互いの時間原点を知り、時計合わせを行うことが必須である。単一光子光源を用いた量子鍵配送システムでは、一個の光子を一方が送った時間と、他方が受光した時間の相対関係を、暗号鍵を共有する二者の少なくとも一方が知る必要がある。また、量子もつれ光源を用いた量子鍵配送システムでは、一組の光子対を構成する一方の光子を、暗号鍵を共有する二者の一方が受光した時間と、一組の光子対を構成する他方の光子を、暗号鍵を共有する二者の他方が受光した時間の相対関係を、暗号鍵を共有する二者の少なくとも一方が知る必要がある。
【０００７】
もし暗号鍵を共有する二者の時間同期がなされていなければ、二者が暗号鍵を共有しようとしても、二者が得た鍵情報に相関が得られない。この結果、暗号鍵を共有する二者の間での暗号鍵の共有が不可能となってしまう。従って従来の量子鍵配送システムでは、この時間原点を知るために、量子鍵配送に用いる光源とは別の光源を用意して、この別の光源が生成したパルス光を、暗号鍵を共有する二者の一方に送る。そして暗号鍵を共有する二者の他方は、このパルス光を送った時間と受信した時間を知ることで、伝送路等で生じる伝送遅延時間を知ることができ、結果、二者は互いの時間原点を合わせることが可能となる（例えば、非特許文献１又は２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ａｌｅｘａｎｄｅｒ  Ｔｒｅｉｂｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，“Ａ  ｆｕｌｌｙ  ａｕｔｏｍａｔｅｄ  ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ−ｂａｓｅｄ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｔｅｌｅｃｏｍ  ｆｉｂｅｒ  ｎｅｔｗｏｒｋｓ”  Ｎｅｗ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  １１（２００９）  ０４５０１３
【非特許文献２】Ｍ．Ｓａｓａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｆｉｅｌｄ  ｔｅｓｔ  ｏｆ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｔｏｋｙｏ  ＱＫＤ  Ｎｅｔｗｏｒｋ”，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．１１，ｐｐ．１０３８７−１０４０９（２０１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の従来例の時間同期方法では、量子鍵配送には用いない光源とその受信器を用意することになる。このため、システムの構成部品数を増加させるなど、暗号鍵の共有者の負担が増大する。この結果、このシステムにかかるコスト、消費電力等が増大することになる。
【００１０】
また、時間情報の同期にあたり、パルス光の送受信を、通常のレーザ光レベルの光強度で実行するならば、このパルス光が、量子鍵配送に用いる単一光子検出器で検出されないように、例えば波長を大きくずらす必要がある。また、光ファイバ伝送路中をこのような高強度の光が伝搬することにより、ラマン散乱光などの雑音光が発生することも懸念される。このような問題点を回避するために、送受信者にかかる負担はさらに増大する。
【００１１】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、より簡易に時間情報を同期させることができる、量子鍵配送システム、及び、このシステムで用いて好適な時間同期方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した目的を達成するために、この発明の量子鍵配送システムは、光源部と、第１の検出部と、第２の検出部と、時間同期部と、第１の信号処理部と、第２の信号処理部とを備えて構成される。
【００１３】
光源部は、量子もつれ光子対を発生させる。第１の検出部は、第１の起点時刻ｔ０ａから第１の終点時刻ｔ０ａ＋Ｔまでの第１の検出時間Ｔの間に、量子もつれ光子対の一方の光子を受光し、この光子を受光した時刻を示す第１の時刻情報とこの光子の量子状態を示す第１の量子情報を含む第１の生鍵Ａを取得する。第２の検出部は、第２の起点時刻ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ−Δτから、第２の終点時刻ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ＋Ｔ＋Δτまでの第２の検出時間Ｔ＋２Δτの間に、量子もつれ光子対の他方の光子を受光し、この光子を受光した時刻を示す第２の時刻情報とこの光子の量子状態を示す第２の量子情報を含む第２の生鍵Ｂを取得する。時間同期部は、補正起点時刻ｔｃを最小伝搬遅延時間差ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ−Δτから最大伝搬遅延時間差ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ＋Δτの間で変化させて、それぞれの補正起点時刻ｔｃについて、第１の時刻情報と第２の時刻情報の同時検出回数を取得し、同時検出回数が最大となる補正起点時刻ｔｃと第１の起点時刻ｔ０ａの差ｔｃ−ｔ０ａを時間原点情報ΔＴｄｅｌａｙ．ｏｐｔとして取得する。第１の信号処理部は、第１の検出部から第１の生鍵Ａを受け取り、第２の信号処理部は、第２の検出部から前記第２の生鍵Ｂを受け取る。第１及び第２の信号処理部は、時間原点情報ΔＴｄｅｌａｙ．ｏｐｔを用いて、第１の量子情報と第２の量子情報を時間同期させた後、暗号鍵を生成する。
【００１４】
また、この発明の時間同期方法は、以下の過程を備えている。先ず、第１の検出部において第１の起点時刻ｔ０ａから第１の終点時刻ｔ０ａ＋Ｔまでの第１の検出時間Ｔの間に、量子もつれ光子対の一方の光子を受光して得られる、第１の時刻情報と第１の量子情報を含む第１の生鍵Ａを取得するとともに、第２の検出部において、第２の起点時刻ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ−Δτから、第２の終点時刻ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ＋Ｔ＋Δτまでの第２の検出時間Ｔ＋２Δτの間に、量子もつれ光子対の他方の光子を受光して得られる、第２の時刻情報と第２の量子情報を含む第２の生鍵Ｂを取得する。次に、補正起点時刻ｔｃを最小伝搬遅延時間差ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ−Δτから最大伝搬遅延時間差ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ＋Δτの間で変化させて、それぞれの補正起点時刻ｔｃについて、第１の時刻情報と第２の時刻情報の同時検出回数を取得し、同時検出回数が最大となる補正起点時刻ｔｃと第１の起点時刻ｔ０ａの差ｔｃ−ｔ０ａを時間原点情報ΔＴｄｅｌａｙ．ｏｐｔとして取得する。次に、時間原点情報ΔＴｄｅｌａｙ．ｏｐｔを用いて、第１の量子情報と第２の量子情報を時間同期させた後、暗号鍵を生成する。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の量子鍵配送システム及び時間同期方法によれば、暗号鍵の生成に用いる生鍵を用いて時間同期を行う。このため、時間同期用の光源等を別途必要としない。このため、より低コストであり、簡単な構成で、時間同期を行える。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】量子鍵配送システムの模式図である。
【図２】量子鍵配送システムが備える検出部の一構成例を示す模式図である。
【図３】時間同期方法の概略を説明するための模式図である。
【図４】この発明の時間同期方法を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００１８】
（量子鍵配送システム）
図１及び図２を参照して、この発明の量子鍵配送システムの実施形態について説明する。図１は、量子鍵配送システムの模式図である。図２は、量子鍵配送システムが備える検出部の一構成例を示す模式図である。
【００１９】
量子鍵配送システムは、光源部１２、第１及び第２の検出部２２及び３２、並びに、第１及び第２の信号処理部２４及び３４を備えて構成される。
【００２０】
光源部１２は、シグナル光子及びアイドラー光子から成る量子もつれ光を発生する量子もつれ光源である。また、便宜的に、シグナル光子が第１の検出部２２に送られ、アイドラー光子が第２の検出部３２に送られるものとする。ここで、光源部１２から第１の信号処理部２４までの光路２１、及び、光源部１２から第２の信号処理部３４までの光路３１は、光ファイバ通信網や空間光学系などの量子チャンネルである。以下の説明では、第１の検出部２２及び第１の信号処理部２４を含む第１の側の装置を、送信側装置２０と称し、第２の検出部３２及び第２の信号処理部３４を含む第２の側の装置を、受信側装置３０と称することもある。
【００２１】
第１及び第２の検出部２２及び３２は、それぞれ、シグナル光子及びアイドラー光子を検出する単一光子検出器を含んで構成される。
【００２２】
第１及び第２の検出部２２及び３２は、量子鍵配送などで利用される受信器と同様に構成することができる。
【００２３】
ここでは、量子もつれ光子対として、偏波量子もつれ光子対を用いる例について説明する。偏波量子もつれ光子対とは、個々の光子の偏波は決定されていないが偏波の測定結果の関係性（互いに平行、互いに直交等の関係性）は定まっている光子対をいう。すなわち、偏波量子もつれ光子対は、光子対に対して複数存在する偏波の組み合わせが重ね合わさった状態にあり、光子対間に偏波相関がある相関光子対である。
【００２４】
第１の検出部２２は、ハーフミラー５０１、波長板５０２、第１及び第２の偏光ビームスプリッタ５０３及び５０４、並びに第１〜第４の単一光子検出器５０５〜５０８から構成される。
【００２５】
第１の検出部２２に到着したシグナル光子はハーフミラー５０１の第１入力端５０１−１に入力され、第２出力端５０１−２及び第３出力端５０１−３のいずれかから出力される。到来する光子は基本的に一個なので、この光子は二つの出力端５０１−２、５０１−３のどちらかにしか出力されない。そしてどちらの出力端に出力されたかが、量子鍵配送技術でいうところの観測基底の選択に相当する。
【００２６】
その後シグナル光子は、ハーフミラー５０１の第２出力端５０１−２から出力された場合には、第１の偏光ビームスプリッタ５０３の第１入力端５０３−１に入力され、その偏光状態に応じて第２出力端５０３−２及び第３出力端５０３−３のいずれかから出力され、最終的に第１の単一光子検出器５０５及び第２の単一光子検出器５０６のいずれかで受光される。
【００２７】
またシグナル光子がハーフミラー５０１の第３出力端５０１−３から出力された場合には、１／２波長板又は１／４波長板で構成される波長板５０２を経過後、第２の偏光ビームスプリッタ５０４の第１入力端５０４−１に入力され、その偏光状態に応じて第２出力端５０４−２及び第３出力端５０４−３のいずれかから出力され、最終的に第３の単一光子検出器５０７及び第４の単一光子検出器５０８のいずれかで受光される。
【００２８】
結果としてシグナル光子は４つの単一光子検出器５０５〜５０８のいずれかで検出される。量子鍵配送の仕組みにおいては、例えば第１又は第３の単一光子検出器５０５又は５０７でシグナル光子が検出された時にはビット「１」を割り当て、第２又は第４の単一光子検出器５０６又は５０８でシグナル光子が検出された時にはビット「０」を割り当てることでランダムなビット列を生成する。また、第１又は第２の単一光子検出器５０５又は５０６でシグナル光子が検出された時には第１の観測基底が選択されたものとし、一方、第３又は第４の単一光子検出器５０７、５０８でシグナル光子が検出された時には第２の観測基底が選択されたものとする。
【００２９】
第２の検出部３２は、シグナル光子ではなくアイドラー光子を検出する点のみが、上述した第１の検出部２２と異なっている。実質的に、第２の検出部３２の構成及び動作は、第１の検出部２２と同様なので、重複する説明を省略する。
【００３０】
第１及び第２の信号処理部２４及び３４は、暗号通信に用いる最終的な暗号鍵を生成する信号処理回路である。第１及び第２の信号処理部２４及び３４の間は、古典チャンネル１１で接続される。なお、古典チャンネル１１での通信は、その内容が改ざんされないようにメッセージ認証等の仕組みが用いられるものとする。
【００３１】
第１の信号処理部２４は、第１の検出部２２での検出結果から、シグナル光子を受光した時刻（Ｔａ）、その時の観測基底（Ｂａ）、ビット値（Ｍａ）を得る。ここではこれらの時刻Ｔａ，観測基底Ｂａ，ビット値Ｍａをまとめて第１の生鍵Ａとする。
【００３２】
第２の信号処理部３４は、第２の検出部３２での検出結果から、アイドラー光子を受光した時刻（Ｔｂ）、その時の観測基底（Ｂｂ）、ビット値（Ｍｂ）を得る。ここではこれらの時刻Ｔｂ，観測基底Ｂｂ，ビット値Ｍｂをまとめて第２の生鍵Ｂとする。
【００３３】
第１及び第２の信号処理部２４及び３４は、古典チャンネル１１を介した双方向通信により、生鍵Ａ及び生鍵Ｂの情報をやり取りし、観測基底情報の交換によりシフト鍵を生成する。さらに、誤り訂正及び秘匿増幅による鍵蒸留プロセスを実行し、最終的な暗号鍵を生成する。
【００３４】
この構成例では、第１の信号処理部２４に、時間同期部２６が設けられている。なお、時間同期部２６は、第１の信号処理部２４及び第２の信号処理部３４のどちらに設けられていても良い。時間同期部２６は、時刻Ｔａと、時刻Ｔｂを用いて互いの時刻を一致させる時間相関器としても機能する。なお、上記の「時間情報が一致する」という条件は、後述するように、量子チャンネル２１、３１での光子の伝搬遅延時間の差を補正した後で、ということであり、必ずしも光子を受信した実時刻が一致する、ということを意味するものではない。
【００３５】
時間同期部２６は、シグナル光を受光する第１の検出部２２とアイドラー光を受光する第２の検出部３２との間での伝搬遅延時間の差の最適値として、時間原点情報ΔＴｄｅｌａｙ．ｏｐｔを得る。この時間原点情報ΔＴｄｅｌａｙ．ｏｐｔを得る過程については、後述する。
【００３６】
第１及び第２の信号処理部２４及び３４は、この時間原点情報ΔＴｄｅｌａｙ．ｏｐｔを用いて、量子チャンネル２１、３１での光子の伝搬遅延時間の差を補正する。その後、第１及び第２の信号処理部２４及び３４は、誤り率の推定、シフト鍵の生成、誤り訂正及び秘匿増強など、暗号鍵生成に必要な一連のプロセスを実行する。この最終的な暗号鍵は、第１の側の装置（送信側装置２０）と第２の側の装置（受信側装置３０）とで共有される。
【００３７】
（時間同期方法の概略）
この発明の時間同期方法の理解に資するために、図３を参照して時間同期方法の概略について説明する。図３は、時間同期方法の概略を説明するための模式図である。
【００３８】
一般に、光源部１２に対する送信側装置２０、受信側装置３０の配置箇所は対称ではない。すなわち、光源部１２から第１の検出部２２及び第２の検出部３２までの距離は、同一ではない。従って、光源部１２で同時に発生したシグナル光子とアイドラー光子について、シグナル光子が第１の検出部２２で受信されるまでの時間と、アイドラー光子が第２の検出部３２で受信されるまでの時間には、時間差が生じる。
【００３９】
図３に示されるように、アイドラー光子が伝搬する距離のほうが長いと仮定し、シグナル光子、アイドラー光子間の伝搬遅延時間差をΔＴｄｅｌａｙであるとする。ΔＴｄｅｌａｙは、量子チャンネル２１及び３１を光ファイバで構成した場合、伝送距離の差が１ｋｍあたり、おおよそ５μｓｅｃとなる。
【００４０】
送信側装置２０及び受信側装置３０は、最大でも１タイムスロット以下の精度でこのΔＴｄｅｌａｙを知る必要がある。１タイムスロット以上、伝搬遅延時間の補正量がずれていれば、第１の検出部２２で得られた第１の生鍵Ａと、第２の検出部３２で得られた第２の生鍵Ｂの同時性が担保できなくなる。その結果、第１の生鍵Ａと第２の生鍵Ｂの間に相関がなくなり、暗号鍵の共有ができなくなる。従って、例えば１ＧＨｚクロックのシステムを想定した場合、１ｎｓｅｃ以下の時間精度でΔＴｄｅｌａｙを知ることが必要となる。
【００４１】
ΔＴｄｅｌａｙを必要な時間精度で知ることができれば、第１の生鍵Ａに含まれる時刻Ｔａと第２の生鍵Ｂに含まれる時刻Ｔｂのいずれか一方に、この伝搬遅延時間差ΔＴｄｅｌａｙを補正してやれば、第１の生鍵Ａと第２の生鍵Ｂとの間の同時性、すなわち時間同期が取れることになる。
【００４２】
ここで、量子チャンネル２１及び３１に用いる伝送路中での光の伝搬時間は、屈折率の温度依存性などの影響で変化する。量子チャンネル２１及び３１を光ファイバとした場合、１ｋｍの光ファイバの温度が１℃変化すると、伝搬時間が約３１ｐｓｅｃ変化することが知られている。伝送距離の差が２０ｋｍであり、光ファイバが架間などに設置されていて外気温度の変動などにより４０℃の温度変動が見込まれるような場合、ΔＴｄｅｌａｙは、２４．８ｎｓｅｃ程度変動することになる。
【００４３】
すなわち、ΔＴｄｅｌａｙに２４．８ｎｓｅｃ程度の大きな変動があっても、１ｎｓｅｃ以下の精度で時間同期をする必要がある。
【００４４】
基本的に、量子鍵配送で用いるシグナル光子、アイドラー光子は、タイムスロットあたり１光子以下の極微弱光であり、これらの光は、伝送損失や単一光子検出器の検出効率等により減衰を受けるため、第１の検出部２２及び第２の検出部３２においては、数百タイムスロットあたり一回以下程度の頻度でしか検出されない。このようなシステムにおいて、上記のような温度変化などを反映した経時変化を含めてΔＴｄｅｌａｙを厳密に知ることは非常に困難である。
【００４５】
（時間同期方法の従来例）
従来の量子鍵配送システムでは、暗号鍵を共有する一方の第１の側の装置に、量子鍵配送に用いるのとは別の、強い光強度のパルス光を用意して、このパルス光を第２の側の装置に送る。そして第２の側の装置では受信した強い光強度のパルス光に関して、第１の側の装置がパルス光を送った時刻と第２の側の装置がこのパルス光を受信した時刻を知ることによってΔＴｄｅｌａｙをその経時変化も含めて容易に知ることができる。この結果、第１の生鍵Ａと第２の生鍵Ｂとの間で時間同期をとることができる。
【００４６】
時間同期がとれたとき、例えば第１の側の装置は、適当な第１の起点時刻ｔ０ａから、第１の終点時刻ｔ０ａ＋Ｔまでの第１の検出時間Ｔの間に取得された時刻Ｔａ、観測基底Ｂａ、ビット値Ｍａを第１の生鍵Ａとして記録する。一方、第２の側の装置は、第１の起点時刻ｔ０ａに伝搬遅延時間差ΔＴｄｅｌａｙを加えた第２の起点時刻ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙから、第２の終点時刻ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ＋Ｔまでの第２の検出時間Ｔの間に取得された時刻Ｔｂ、観測基底Ｂｂ、ビット値Ｍｂを第２の生鍵Ｂとして記録する。
【００４７】
そして、第１及び第２の信号処理部２４及び３４は、これら第１の生鍵Ａ及び第２の生鍵Ｂを、古典チャンネル１１を利用して照合し、上記ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙによって送受信者間の時間原点を補正した後、誤り率の推定、シフト鍵の生成、誤り訂正及び秘匿増強のプロセスを経て最終的な暗号鍵を共有する。
【００４８】
単一光子光源を用いた量子鍵配送システムの時間同期の方法も、上記で述べた量子もつれ光子対を用いた量子鍵配送システムの場合と同様であり、量子鍵配送に用いるのとは別のパルス光を用意して、このパルス光からΔＴｄｅｌａｙを知る手法がとられている。一方このよう方法での時間同期方法は、先に述べたように、コスト増加やシステム構成の複雑化などの問題点がある。
【００４９】
（この発明の時間同期方法）
上述した従来の時間同期方法に対して、この発明の時間同期方法は、以下のように行われる。図４を参照して、この発明の時間同期方法の実施形態について説明する。図４は、この発明の時間同期方法を説明するための模式図である。
【００５０】
この発明の時間同期方法では、先ず、生鍵取得過程を行う。この生鍵取得過程では、第１の検出部２２において、適当な第１の起点時刻ｔ０ａから第１の終点時刻ｔ０ａ＋Ｔまでの第１の検出時間Ｔの間に取得された時刻Ｔａ、観測基底Ｂａ、ビット値Ｍａが第１の生鍵Ａとして記録される。また、第２の検出部３２において、第２の起点時刻ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ−Δτから、第２の終点時刻ｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ＋Ｔ＋Δτまでの第２の検出時間Ｔ＋２Δτの間に取得された時刻Ｔｂ、観測基底Ｂｂ、ビット値Ｍｂが第２の生鍵Ｂとして記録される。
【００５１】
ここで、温度変化などを見込んだシステムの最小伝搬遅延時間差をΔＴｄｅｌａｙ．ｍｉｎ（＝ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ−Δτ）、最大伝搬遅延時間差をΔＴｄｅｌａｙ．ｍａｘ（＝ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ＋Δτ）とする。ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅは平均伝搬遅延時間差であり、最小伝搬遅延時間差ΔＴｄｅｌａｙ．ｍinと最大伝搬遅延時間差ΔＴｄｅｌａｙ．ｍａｘの中央値として得られる。またΔτを余剰時間と称する。平均伝搬遅延時間差ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ及び余剰時間Δτは、光源部１２から第１の検出部２２及び第２の検出部３２までの伝搬距離の差や、量子チャンネルが設置された環境などに応じて適宜最適な値に設定される。
【００５２】
この生鍵取得過程は、第１の検出時間Ｔに対して第２の検出時間Ｔ＋２Δτが長い点を除いて、従来公知の生鍵を取得する過程と同様に行うことができる。
【００５３】
第２の側の装置で得られた第２の生鍵Ｂのうち、ビット値Ｍｂを除いた部分は、古典チャンネル１１を介して、第１の側の装置に送られる。
【００５４】
生鍵取得過程に続いて、時間原点情報取得過程が行われる。
【００５５】
時間原点取得過程では、時間同期部２６により、補正時刻ｔｃをｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ−Δτからｔ０ａ＋ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ＋Δτの間で変化させて、それぞれの補正起点時刻ｔｃについての同時検出回数を取得し、同時検出回数が最大となる補正起点時刻ｔｃとｔ０ａの差ｔｃ−ｔ０ａが時間原点情報ΔＴｄｅｌａｙ．ｏｐｔとして記憶される。  
【００５６】
この同時検出回数の取得は、例えば、以下のように行われる。先ず、第２の生鍵Ｂに含まれる時刻Ｔｂから、補正起点時刻ｔｃから補正終点時刻ｔｃ＋Ｔまでの第１の検出時間Ｔと等しい時間の間に取得された一部時刻ＴＴｂを抽出する。次に、一部時刻ＴＴｂと、時刻Ｔａを時間同期部２６で照合し、互いの検出時刻が一致する回数（同時検出回数）を取得する。ここで「検出時刻が一致する」とは、Ｔａｘ＝Ｔｂｙ（ｘ、ｙは１以上の整数）となるｘとｙの組合せが存在することを意味する。
【００５７】
時間原点取得過程に続いて暗号鍵生成過程が行われる。暗号鍵生成過程では、時間原点情報ΔＴｄｅｌａｙ．ｏｐｔを用いて、第１及び第２の信号処理部２４及び３４において、第１の生鍵Ａと第２の生鍵Ｂの間の時間原点を補正する。その後、誤り率の推定、シフト鍵の生成、誤り訂正及び秘匿増強のプロセスを経て最終的な暗号鍵を生成する。この暗号鍵生成過程は、従来公知の暗号鍵を生成する過程と同様に行うことができる。
【００５８】
この発明の効果は、量子もつれ光子対のもととなる相関光子対の量子力学的効果によって生じる。
【００５９】
相関光子対とは、対をなすシグナル光、アイドラー光の光子対が発生した時の発生した時刻、波長、あるいは偏光などに１００％の相関をもつ光子対である。本発明においては時刻の同時性を用いる。すなわち、シグナル光が発生したならばアイドラー光も同時に発生し、またその逆も成り立つ。
【００６０】
従って、ペアとなるシグナル光とアイドラー光は、基本的には遅延時間差ゼロで同時に検出される。伝送路などによる伝搬遅延時間差がある場合には、その伝搬遅延時間差を以て双方が検出されることになる。
【００６１】
一方、伝搬遅延時間差以外で双方が検出される現象は、異なるタイムスロットで発生した異なるペアとなる光子対の一方ずつが検出される現象や、あるいは単一光子検出器等の雑音信号等を検出してしまう現象に相当し、これらの現象は偶発的に生じる。
【００６２】
光子対数の分布がポアソン分布であると仮定した場合、前者のペアとなる（正規な）シグナル光とアイドラー光を同時カウントする確率Ｐｃｃは、以下の式（１）で与えられる。
【００６３】
Ｐｃｃ＝ｐαｓｉｇαｉｄ      （１）
ここでｐは１タイムスロットあたりの平均光子対数、αｓｉｇ及びαｉｄは、それぞれ伝搬損失、単一光子検出器の検出効率などによるシグナル光子及びアイドラー光子の減衰率である。
【００６４】
一方、後者の偶発的現象による同時カウントの確率Ｐａｃｃは、以下の式（２）で与えられる。
【００６５】
Ｐａｃｃ＝（ｐαｓｉｇ＋ｄｓｉｇ）（ｐαｉｄ＋ｄｉｄ）  （２）
ここでｄｘ（ｘ＝ｓｉｇ，ｉｄ）は、第１の検出部２２及び第２の検出部３２を構成する単一光子検出器の暗電流検出率である。
【００６６】
最大の同時カウント数を与えるようなｔｃが設定されている条件とは、同時カウントの確率がＰｃｃ＋Ｐａｃｃとなるときに他ならない。そしてこの時、ＴａとＴＴｂを比較するときに設けている伝搬遅延時間差ｔ０ａ−ｔｃは、これらの第１の生鍵Ａ、第２の生鍵Ｂを取得した際の実際のシステムの伝搬遅延時間差に相当することになる。従ってこの時間補正を用いて、送受信者間の時間同期をとることができるようになる。
【００６７】
一方、補正起点時刻ｔｃが上記の最適値からずれているとき、同時カウントの確率は偶発カウントのみのＰａｃｃとなる。すなわち、最適条件の場合よりＰａｃｃ分低下する。
【００６８】
本発明では、補正起点時刻ｔｃを変化させても、時間同期部２６で比較するＴＴｂは積分時間Ｔの間での時刻情報であることには変わりがないので、結果、上記の同時カウントの確率は、時間同期部２６で計算する同時カウント数と比例する。従って、同時カウント数を比較することで、最適な伝搬遅延時間差を与える補正起点時刻ｔｃを容易に検出することができる。
【００６９】
伝送路の温度変化等が生じて、伝搬遅延時間が変化する場合、上記最適なｔｃが変化することになるが、本発明においては、時間同期部２６の同時カウント数をみることで上記最適なｔｃを容易に検出できる。
【００７０】
このように、本発明においては、生鍵情報自体を用いて最適な伝搬遅延時間差を決定することができるため、従来例のように時間同期のための別途パルス光が不要となる。
【００７１】
システム要件で決まる最小伝搬遅延時間差をΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ−Δτ、最大伝搬遅延時間差をΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ＋Δτとしたとき、最小伝搬遅延時間差ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ−Δτから最大伝搬遅延時間差ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ＋Δτまでの間で補正起点時刻ｔｃを変化させれば、同時カウント確率Ｐｃｃ＋Ｐａｃｃを与える最適な伝搬遅延時間差ΔＴｄｅｌａｙ．ｏｐｔを必ず見つけることができる。
【００７２】
なお、この発明は、単一光子光源を用いた量子鍵配送システムに適用することは難しい。なぜなら、単一光子光源を用いた量子鍵配送システムの場合、上記の補正起点時刻ｔｃを変化させても、同時カウント率には変化が生じないためである。
【００７３】
ここで、この発明では、第２の検出部が第２の生鍵Ｂを取得する時刻はＴ＋２Δτとなり、従来例での取得時刻Ｔより長くなっている。この結果、鍵の生成効率という点では従来例より原理的には低下する。
【００７４】
しかしながら現実的には、例えば、先述の例で挙げたように、伝送距離の差が２０ｋｍであり、量子チャンネル２１及び３１である光ファイバの温度変化が最大でも４０℃程度である場合、伝搬遅延時間差の変動量、すなわち２Δτの値は高々２４．８ｎｓｅｃ程度にしかならない。鍵レートの低下率は、Ｔ／（Ｔ＋２Δτ）となるので、Ｔ＝１ｓｅｃとすれば、この場合の鍵の生成効率の低下はほぼ無視できる。
【００７５】
また、量子チャンネル２１、３１それぞれでの伝搬遅延時間がともに大きく変動するような場合でも、その変動を見越して、ΔＴｄｅｌａｙ．ａｖｅ、Δτを設定しておけばよい。
【００７６】
以上説明したように、この時間同期方法では、別途パルス光源等を必要とせず、送受信者の時間同期が可能である。このため、より低コストであり、簡易な構成の量子もつれ光源を用いた量子鍵配送システムを提供することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１２    光源部
２０    送信側装置
２１、３１    光路
２２、３２    検出部
２４、３４    信号処理部
２６    時間同期部
３０    受信側装置
５０１    ハーフミラー
５０２    波長板
５０３、５０４    偏光ビームスプリッタ
５０５、５０６、５０７、５０８    単一光子検出器  
【図１】
0006658102.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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