(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信機と受信機とを備えた、量子暗号通信を行なうためのシステムであって、
前記送信機は、
時間差τを有する同一周波数で同一強度の２つのパルス光の位相差を所定の位相値でランダムに変調するとともに当該変調に用いた位相値を記録し、前記位相差を変調した２つのパルス光を送信する送信機であって、前記２つのパルス光の強度および前記所定の位相値は、前記２つのパルス光の量子雑音による信号状態拡がりが互いに一部重なり合う値に設定され、
前記受信機は、
前記送信機から送信された、時間差τを有し、位相差が所定の位相値でランダムに変調された２つのパルス光を受信し、該受信した２つのパルス光のそれぞれを等しい強度で分岐する第１の分岐手段と、
前記第１の分岐手段で分岐された一方の２つのパルス光に対し、前記時間差τと等しい遅延を与える第１の遅延手段と、
前記第１の分岐手段で分岐された他方の２つのパルス光の位相差を前記所定の位相値と符号が逆の位相値でランダムに変調する第１の位相変調手段と、
前記第１の遅延手段を経た２つのパルス光と前記第１の位相変調手段を経た２つのパルス光とを等しい強度で合波することで干渉させて出力する２入力２出力の第１の合波手段と、
前記第１の合波手段の２つの出力端のうちの一方に接続される第１の光検出手段と、
前記第１の合波手段の２つの出力端のうちの他方に接続される第２の光検出手段と、
前記第１の光検出手段に接続される第１の記録手段であって、前記第１の合波手段で合波することで干渉したパルス光の前記第１の光検出手段での検出時刻と、当該干渉したパルス光の位相変調に前記第１の位相変調手段で用いた位相値とを記録する第１の記録手段と、
前記第２の光検出手段に接続される第２の記録手段であって、前記第１の合波手段で合波することで干渉したパルス光の前記第２の光検出手段での検出を記録する第２の記録手段と
を備え、
前記第１の記録手段に記録された前記検出時刻を前記受信機から前記送信機に伝えることによって、前記受信機における前記第１の記録手段に記録された位相値と、前記送信機において記録された前記位相値とに基づいて前記受信機および前記送信機で共通の秘密鍵を得ることを特徴とするシステム。
【請求項２】
送信機と受信機とを備えた、量子暗号通信を行なうためのシステムであって、
前記送信機は、
時間差τを有する同一周波数で同一強度の２つのパルス光の位相差を所定の位相値でランダムに変調するとともに当該変調に用いた位相値を記録し、前記位相差を変調した２つのパルス光を送信する送信機であって、前記２つのパルス光の強度および前記所定の位相値は、前記２つのパルス光の量子雑音による信号状態拡がりに互いに一部重なり合う値に設定され、
前記受信機は、
前記送信機から送信された、時間差τを有し、位相差が所定の位相値でランダムに変調された２つのパルス光を受信し、該受信した２つのパルス光の位相差を前記所定の位相値と符号が逆の位相値でランダムに変調する第１の位相変調手段と、
前記第１の位相変調手段で位相差が変調された２つのパルス光のそれぞれを等しい強度で分岐する第１の分岐手段と、
前記第１の分岐手段で分岐された一方の２つのパルス光に対し、前記時間差τと等しい遅延を与える第１の遅延手段と、
前記第１の遅延手段を経た２つのパルス光と前記第１の分岐手段で分岐された他方の２つのパルス光とを等しい強度で合波することで干渉させて出力する２入力２出力の第１の合波手段と、
前記第１の合波手段の２つの出力端のうちの一方に接続される第１の光検出手段と、
前記第１の合波手段の２つの出力端のうちの他方に接続される第２の光検出手段と、
前記第１の光検出手段に接続される第１の記録手段であって、前記第１の合波手段で合波することで干渉したパルス光の前記第１の光検出手段での検出時刻と、当該干渉したパルス光の位相変調に前記第１の位相変調手段で用いた位相値とを記録する第１の記録手段と、
前記第２の光検出手段に接続される第２の記録手段であって、前記第１の合波手段で合波することで干渉したパルス光の前記第２の光検出手段での検出を記録する第２の記録手段と
を備え、
前記第１の記録手段に記録された前記検出時刻を前記受信機から前記送信機に伝えることによって、前記受信機における前記第１の記録手段に記録された位相値と、前記送信機において記録された前記位相値とに基づいて前記受信機および前記送信機で共通の秘密鍵を得ることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のシステムにおいて、
前記送信機は、
パルス光を発生するパルス光発生手段と、
前記パルス光を等しい強度で２つのパルス光に分岐する第２の分岐手段と、
前記第２の分岐手段で分岐された２つのパルス光の間に時間差τを与える第２の遅延手段と、
前記第２の分岐手段で分岐された２つのパルス光の位相差を所定の位相値でランダムに変調する第２の位相変調手段と、
前記第２の遅延手段により前記時間差τが与えられるとともに前記第２の位相変調手段により前記位相差が変調された２つのパルス光を等しい強度で同一経路に出力する第２の合波手段と、
前記第２の位相変調手段で２つのパルス光の位相差の変調に用いた位相値を記録する第３の記録手段と
を備え、
前記２つのパルス光の強度および前記所定の位相値は、前記２つのパルス光の量子雑音による信号状態拡がりが互いに一部重なり合う値に設定されたことを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項２に記載のシステムにおいて、
前記送信機は、
パルス光を発生するパルス光発生手段と、
前記パルス光を等しい強度で２つのパルス光に分岐する第２の分岐手段と、
前記第２の分岐手段で分岐された２つのパルス光の間に時間差τを与える第２の遅延手段と、
前記時間差τが与えられた２つのパルス光を等しい強度で同一経路に出力する第２の合波手段と、
前記第２の合波手段から出力された時間差τが与えられた２つのパルス光の位相差を所定の位相値でランダムに変調する第２の位相変調手段と、
前記第２の位相変調手段で２つのパルス光の位相差の変調に用いた位相値を記録する第３の記録手段と
を備え、
前記２つのパルス光の強度および前記所定の位相値は、前記２つのパルス光の量子雑音による信号状態拡がりが互いに一部重なり合う値に設定されたことを特徴とするシステム。
【請求項５】
送信機と受信機との間で量子暗号通信を行なうための方法であって、
前記送信機から時間差τを有する同一周波数で同一強度の２つのパルス光の位相差を所定の位相値でランダムに変調するとともに当該変調に用いた位相値を記録し、前記位相差を変調した２つのパルス光を送信する送信工程であって、前記２つのパルス光の強度および前記所定の位相値は、前記２つのパルス光の量子雑音による信号状態拡がりが互いに一部重なり合う値に設定される送信工程と、
前記受信機において、前記送信機から送信された、時間差τを有し、位相差が所定の位相値でランダムに変調された２つのパルス光を受信し、該受信した２つのパルス光のそれぞれを等しい強度で分岐する第１の分岐工程と、
前記第１の分岐工程で分岐された一方の２つのパルス光に対し、前記時間差τと等しい遅延を与える第１の遅延工程と、
前記第１の分岐工程で分岐された他方の２つのパルス光の位相差を前記所定の位相値と符号が逆の位相値でランダムに変調する第１の位相変調工程と、
前記第１の遅延工程を経た２つのパルス光と前記第１の位相変調工程を経た２つのパルス光とを等しい強度で合波することで干渉させて、２つの出力端のいずれかに干渉光を出力する第１の合波工程と、
前記第１の合波工程の２つの出力端のうちの一方からの干渉光を検出する第１の光検出工程と、
前記第１の合波工程の２つの出力端のうちの他方からの干渉光を検出する第２の光検出工程と、
前記第１の光検出工程での干渉光の検出時刻と、当該干渉光に対応する、前記第１の位相変調工程で用いた位相値とを記録する第１の記録工程と、
前記第２の光検出工程での干渉光の検出を記録する第２の記録工程と、
前記第１の記録工程で記録された前記検出時刻を前記受信機から前記送信機に伝えることによって、前記受信機における前記第１の記録工程で記録された位相値と、前記送信機において記録された前記位相値とに基づいて前記受信機および前記送信機で共通の秘密鍵を得る工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項６】
送信機と受信機との間で量子暗号通信を行なうための方法であって、
前記送信機から時間差τを有する同一周波数で同一強度の２つのパルス光の位相差を所定の位相値でランダムに変調するとともに当該変調に用いた位相値を記録し、前記位相差を変調した２つのパルス光を送信する送信工程であって、前記２つのパルス光の強度および前記所定の位相値は、前記２つのパルス光の量子雑音による信号状態拡がりが互いに一部重なり合う値に設定される送信工程と、
前記受信機において、前記送信機から送信された、時間差τを有し、位相差が所定の位相値でランダムに変調された２つのパルス光を受信し、該受信した２つのパルス光の位相差を前記所定の位相値と符号が逆の位相値でランダムに変調する第１の位相変調工程と、
前記第１の位相変調工程で位相差が変調された２つのパルス光のそれぞれを等しい強度で分岐する第１の分岐工程と、
前記第１の分岐工程で分岐された一方の２つのパルス光に対し、前記時間差τと等しい遅延を与える第１の遅延工程と、
前記第１の遅延工程を経た２つのパルス光と前記第１の分岐工程で分岐された他方の２つのパルス光とを等しい強度で合波することで干渉させて、２つの出力端のいずれかに干渉光を出力する第１の合波工程と、
前記第１の合波工程の２つの出力端のうちの一方からの干渉光を検出する第１の光検出工程と、
前記第１の合波工程の２つの出力端のうちの他方からの干渉光を検出する第２の光検出工程と、
前記第１の光検出工程での干渉光の検出時刻と、当該干渉光に対応する、前記第１の位相変調工程で用いた位相値とを記録する第１の記録工程と、
前記第２の光検出工程での干渉光の検出を記録する第２の記録工程と、
前記第１の記録工程で記録された前記検出時刻を前記受信機から前記送信機に伝えることによって、前記受信機における前記第１の記録工程で記録された位相値と、前記送信機において記録された前記位相値とに基づいて前記受信機および前記送信機で共通の秘密鍵を得る工程と
を備えることを特徴とする方法。
【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技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報を盗聴者に漏らすことなく、正規の通信者間のみで安全にデータをやり取りする暗号技術は、現代の生活に不可欠なものである。既存の暗号方式として有名なものには、公開鍵暗号方式と秘密鍵暗号方式がある。公開鍵暗号方式は、計算速度の非常に速い計算機により破られてしまうことが知られており、また非常に巧妙な数学のアルゴリズムにより破られてしまう可能性もある。その一方で、秘密鍵暗号方式は、送信者と受信者が盗聴者に知られていないビット値の乱数表、つまり秘密鍵を共有していれば安全であることが知られている。ここで問題となってくるのは、如何にして秘密鍵を共有するか、ということである。この問題を解決する方法として、量子暗号通信が最近注目されている。
【０００３】
量子暗号通信の基本的な構成を図１に示す。まず、送信者は、ビット値をランダムに発生させ、その値に応じて光源からの光の状態を変調した後、変調光を伝送路（多くの場合、光ファイバ）を介して受信者に送る。一方、受信者は、送信者が行なった変調を読み取るように測定を行う。その後、送信者と受信者が通常の電話回線１２２などを用いてデータ処理のための通信を行い、秘密鍵が生成される。
【０００４】
光の状態を変調する方法としては、光の位相変調を用いる方式（例えば、非特許文献１〜３）が光ファイバでの伝送に向いているために主流となっている。光の位相変調を用いる方式の中でも、受信者がしきい値を設ける方式（例えば、非特許文献３）としきい値を設けない方式（例えば、非特許文献１および２）がある。ここでは、非特許文献１で示されたＢ９２と呼ばれる方式について説明する。
【０００５】
この方式の構成例を図２に示す。この方式では、まず、送信機において、レーザ光源からの強い光を、透過率と反射率が非対称なビームスプリッタＡＢＳ０を用いて微弱な光と強度の強い参照光に分ける。その後、位相変調器ＰＭで乱数の値に応じて微弱な光に対して位相変調を行い、位相変調光を得る。例えば、乱数のビット値が０なら０の位相変調を行い、乱数のビット値が１ならπの位相変調を行う。さらに、位相変調光に対しては、参照光に対して時間τだけの遅延を設け、位相変調光と参照光を透過率と反射率が同じ５０：５０のビームスプリッタＢＳ０を介して、受信機に送る。
【０００６】
一方、受信機においては、時間間隔τで入射してきた位相変調光と参照光を５０：５０のビームスプリッタＢＳ１を用いてそれぞれ２つの光に分け、干渉計に入射させる。この干渉計も時間差τが生じるように光路差が設けられている。さらに、この干渉計の長い方のアームには送信機側と同じ性質をもつ非対称なビームスプリッタＡＢＳ１がセットされている。最後に、５０：５０のビームスプリッタＢＳ２を用いて２つのアームからの光が合波され、２つの光検知器ＤＥＴ0およびＤＥＴ1により信号が読み取られる仕組みになっている。
【０００７】
次に、この方式でビット情報を送る原理について説明する。送信機からは、強度の強い参照光を送った後、時間差τで位相変調光を送ることになる。受信機の５０：５０のビームスプリッタＢＳ１にはまず強い参照光が入射し、続いて位相変調光が入射する。この参照光は、５０：５０のビームスプリッタＢＳ１によって分岐され、干渉計の長いアームと短いアームを通る。次に続く位相変調光も、５０：５０のビームスプリッタＢＳ１によって分岐され、干渉計の長いアームと短いアームを通る。ここで、参照光のうち長いアームを通ったものと、位相変調光のうち短いアームを通ったものに着目する。長いアームを通った参照光の強度は、非対称なビームスプリッタの作用により、短いアームを通った位相変調光の強度と同じになる。したがって、後段の５０：５０のビームスプリッタＢＳ２には同じ強度で、同じ周波数の２つの光が入射することになり、この２つの光は干渉を起こす。
【０００８】
例えば、送信機から０の位相変調（例えば、ビット値０）を送った場合、位相変調光の位相は、参照光の位相と同じであるので、受信機の２つの光検知器ＤＥＴ0およびＤＥＴ1のうち一方のみ（例えば、ＤＥＴ0）に光が入射する。また、送信機からπの位相変調（例えば、ビット値１）を送った場合、位相変調光の位相は、参照光の位相と逆になるので、２つの光検知器のうち他方のみ（例えば、ＤＥＴ1）に光が入射する。つまり、送信機で行なった位相変調の値に応じて、受信機の検出器のいずれかがシグナルを検出することになり、送信機から送ったビット情報が受信機に伝わる。そして、２つの光検知器にはそれぞれＣＰＵ0およびＣＰＵ1が接続され、データが記録される。
【０００９】
盗聴を防ぐためには、位相変調光の強度を微弱にする必要がある。この微弱性により盗聴者は自由にビットを盗むことができない。微弱な光を用いると、受信機でビット情報を検出する確率が低くなるが、検出できた場合には送信機から送ったビット情報が受信機に正しく伝わっていることになる。受信機でどのシグナルの検出に成功したかを電話線などを通じて送信機に伝え、送信機側で該当するビット値を残すことにより、送信機と受信機との間で共通のビット列を共有することができる。
【００１０】
盗聴方法として、盗聴者がビームスプリッタを用いて位相変調光と参照光を盗み、それらを測定する、という方法が考えられる。しかし、位相変調光が非常に微弱であるため、受信者がシグナルの検出に成功した光に対して、盗聴者もシグナルの検出に成功する確率は非常に小さく、従って漏れる情報も小さい。この漏れた情報は、秘匿性増強プロトコルによりいくらでも小さくできることが知られている。さらに、位相変調光の強さを十分に小さくし（平均光子数が０．１個程度）、参照光の強さを十分に強くすれば（平均光子数が１０7個程度）、任意の盗聴に対してもこのＢ９２方式は安全であることが厳密に示されている（非特許文献４）。
【００１１】
【非特許文献１】C. H. Bennett, “Quantum Cryptography Using Any Two Nonorthogonal States,” Physical Review Letter, Vol. 68, No. 21, May 25, 1992, pp.3121-3124
【非特許文献２】C. H. Bennett, and G. Brassard, “Quantum Cryptography: Public Key Distribution And Coin Tossing,” Proceedings of IEEE International Conference of Computer Systems and Signal Processing, Bangalore, India, December 10-12, 1984
【非特許文献３】T. Hirano, H. Yamanaka, M. Ashikaga, T. Konishi, and R. Namiki, “Quantum Cryptography Using Pulsed Homodyne Detection,” Physical Review A 68, 042331 (2003)
【非特許文献４】K. Tamaki, N. Lutkenhaus, M. Koashi, and J. Batawantudawe, “Unconditional Security of the Bennett 1992 Quantum Key-Distribution Scheme with Strong Reference Pulse,” http://jp.arxiv.org/abs/quant-ph/0607082
【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、上記の従来技術で仮定されている、位相変調光と参照光の非常に大きな強度の差は、実際の実験で作るのは難しい。また、仮にこれらの光を生成することができたとしても、光ファイバ中のレイリー散乱により、参照光からの散乱光が位相変調光と混ざりビットエラーが生じてしまう。これら２つの問題を解決するために参照光と位相変調光の強度を同じにすることが考えられるが、そうすると受信機側でしきい値を設ける必要がある。これにより、さらにビットエラーが生じてしまうという問題が生じる。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、実装が容易でビットエラーの少ない量子暗号通信技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、送信機と受信機とを備えた、量子暗号通信を行なうためのシステムであって、前記送信機は、時間差τを有する同一周波数で同一強度の２つのパルス光の位相差を所定の位相値でランダムに変調するとともに当該変調に用いた位相値を記録し、前記位相差を変調した２つのパルス光を送信する送信機であって、前記２つのパルス光の強度および前記所定の位相値は、前記２つのパルス光の量子雑音による信号状態拡がりが互いに一部重なり合う値に設定され、前記受信機は、前記送信機から送信された、時間差τを有し、位相差が所定の位相値でランダムに変調された２つのパルス光を受信し、該受信した２つのパルス光のそれぞれを等しい強度で分岐する第１の分岐手段と、前記第１の分岐手段で分岐された一方の２つのパルス光に対し、前記時間差τと等しい遅延を与える第１の遅延手段と、前記第１の分岐手段で分岐された他方の２つのパルス光の位相差を前記所定の位相値と符号が逆の位相値でランダムに変調する第１の位相変調手段と、前記第１の遅延手段を経た２つのパルス光と前記第１の位相変調手段を経た２つのパルス光とを等しい強度で合波することで干渉させて出力する２入力２出力の第１の合波手段と、前記第１の合波手段の２つの出力端のうちの一方に接続される第１の光検出手段と、前記第１の合波手段の２つの出力端のうちの他方に接続される第２の光検出手段と、前記第１の光検出手段に接続される第１の記録手段であって、前記第１の合波手段で合波することで干渉したパルス光の前記第１の光検出手段での検出時刻と、当該干渉したパルス光の位相変調に前記第１の位相変調手段で用いた位相値とを記録する第１の記録手段と、前記第２の光検出手段に接続される第２の記録手段であって、前記第１の合波手段で合波することで干渉したパルス光の前記第２の光検出手段での検出を記録する第２の記録手段とを備え、前記第１の記録手段に記録された前記検出時刻を前記受信機から前記送信機に伝えることによって、前記受信機における前記第１の記録手段に記録された位相値と、前記送信機において記録された前記位相値とに基づいて前記受信機および前記送信機で共通の秘密鍵を得ることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、送信機と受信機とを備えた、量子暗号通信を行なうためのシステムであって、前記送信機は、時間差τを有する同一周波数で同一強度の２つのパルス光の位相差を所定の位相値でランダムに変調するとともに当該変調に用いた位相値を記録し、前記位相差を変調した２つのパルス光を送信する送信機であって、前記２つのパルス光の強度および前記所定の位相値は、前記２つのパルス光の量子雑音による信号状態拡がりに互いに一部重なり合う値に設定され、前記受信機は、前記送信機から送信された、時間差τを有し、位相差が所定の位相値でランダムに変調された２つのパルス光を受信し、該受信した２つのパルス光の位相差を前記所定の位相値と符号が逆の位相値でランダムに変調する第１の位相変調手段と、前記第１の位相変調手段で位相差が変調された２つのパルス光のそれぞれを等しい強度で分岐する第１の分岐手段と、前記第１の分岐手段で分岐された一方の２つのパルス光に対し、前記時間差τと等しい遅延を与える第１の遅延手段と、前記第１の遅延手段を経た２つのパルス光と前記第１の分岐手段で分岐された他方の２つのパルス光とを等しい強度で合波することで干渉させて出力する２入力２出力の第１の合波手段と、前記第１の合波手段の２つの出力端のうちの一方に接続される第１の光検出手段と、前記第１の合波手段の２つの出力端のうちの他方に接続される第２の光検出手段と、前記第１の光検出手段に接続される第１の記録手段であって、前記第１の合波手段で合波することで干渉したパルス光の前記第１の光検出手段での検出時刻と、当該干渉したパルス光の位相変調に前記第１の位相変調手段で用いた位相値とを記録する第１の記録手段と、前記第２の光検出手段に接続される第２の記録手段であって、前記第１の合波手段で合波することで干渉したパルス光の前記第２の光検出手段での検出を記録する第２の記録手段とを備え、前記第１の記録手段に記録された前記検出時刻を前記受信機から前記送信機に伝えることによって、前記受信機における前記第１の記録手段に記録された位相値と、前記送信機において記録された前記位相値とに基づいて前記受信機および前記送信機で共通の秘密鍵を得ることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のシステムにおいて、前記送信機は、パルス光を発生するパルス光発生手段と、前記パルス光を等しい強度で２つのパルス光に分岐する第２の分岐手段と、前記第２の分岐手段で分岐された２つのパルス光の間に時間差τを与える第２の遅延手段と、前記第２の分岐手段で分岐された２つのパルス光の位相差を所定の位相値でランダムに変調する第２の位相変調手段と、前記第２の遅延手段により前記時間差τが与えられるとともに前記第２の位相変調手段により前記位相差が変調された２つのパルス光を等しい強度で同一経路に出力する第２の合波手段と、前記第２の位相変調手段で２つのパルス光の位相差の変調に用いた位相値を記録する第３の記録手段とを備え、前記２つのパルス光の強度および前記所定の位相値は、前記２つのパルス光の量子雑音による信号状態拡がりが互いに一部重なり合う値に設定されたことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載のシステムにおいて、前記送信機は、パルス光を発生するパルス光発生手段と、前記パルス光を等しい強度で２つのパルス光に分岐する第２の分岐手段と、前記第２の分岐手段で分岐された２つのパルス光の間に時間差τを与える第２の遅延手段と、前記時間差τが与えられた２つのパルス光を等しい強度で同一経路に出力する第２の合波手段と、前記第２の合波手段から出力された時間差τが与えられた２つのパルス光の位相差を所定の位相値でランダムに変調する第２の位相変調手段と、前記第２の位相変調手段で２つのパルス光の位相差の変調に用いた位相値を記録する第３の記録手段とを備え、前記２つのパルス光の強度および前記所定の位相値は、前記２つのパルス光の量子雑音による信号状態拡がりが互いに一部重なり合う値に設定されたことを特徴とする。
【００２１】
また、請求項５に記載の発明は、送信機と受信機との間で量子暗号通信を行なうための方法であって、前記送信機から時間差τを有する同一周波数で同一強度の２つのパルス光の位相差を所定の位相値でランダムに変調するとともに当該変調に用いた位相値を記録し、前記位相差を変調した２つのパルス光を送信する送信工程であって、前記２つのパルス光の強度および前記所定の位相値は、前記２つのパルス光の量子雑音による信号状態拡がりが互いに一部重なり合う値に設定される送信工程と、前記受信機において、前記送信機から送信された、時間差τを有し、位相差が所定の位相値でランダムに変調された２つのパルス光を受信し、該受信した２つのパルス光のそれぞれを等しい強度で分岐する第１の分岐工程と、前記第１の分岐工程で分岐された一方の２つのパルス光に対し、前記時間差τと等しい遅延を与える第１の遅延工程と、前記第１の分岐工程で分岐された他方の２つのパルス光の位相差を前記所定の位相値と符号が逆の位相値でランダムに変調する第１の位相変調工程と、前記第１の遅延工程を経た２つのパルス光と前記第１の位相変調工程を経た２つのパルス光とを等しい強度で合波することで干渉させて、２つの出力端のいずれかに干渉光を出力する第１の合波工程と、前記第１の合波工程の２つの出力端のうちの一方からの干渉光を検出する第１の光検出工程と、前記第１の合波工程の２つの出力端のうちの他方からの干渉光を検出する第２の光検出工程と、前記第１の光検出工程での干渉光の検出時刻と、当該干渉光に対応する、前記第１の位相変調工程で用いた位相値とを記録する第１の記録工程と、前記第２の光検出工程での干渉光の検出を記録する第２の記録工程と、前記第１の記録工程で記録された前記検出時刻を前記受信機から前記送信機に伝えることによって、前記受信機における前記第１の記録工程で記録された位相値と、前記送信機において記録された前記位相値とに基づいて前記受信機および前記送信機で共通の秘密鍵を得る工程とを備えることを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、送信機と受信機との間で量子暗号通信を行なうための方法であって、前記送信機から時間差τを有する同一周波数で同一強度の２つのパルス光の位相差を所定の位相値でランダムに変調するとともに当該変調に用いた位相値を記録し、前記位相差を変調した２つのパルス光を送信する送信工程であって、前記２つのパルス光の強度および前記所定の位相値は、前記２つのパルス光の量子雑音による信号状態拡がりが互いに一部重なり合う値に設定される送信工程と、前記受信機において、前記送信機から送信された、時間差τを有し、位相差が所定の位相値でランダムに変調された２つのパルス光を受信し、該受信した２つのパルス光の位相差を前記所定の位相値と符号が逆の位相値でランダムに変調する第１の位相変調工程と、前記第１の位相変調工程で位相差が変調された２つのパルス光のそれぞれを等しい強度で分岐する第１の分岐工程と、前記第１の分岐工程で分岐された一方の２つのパルス光に対し、前記時間差τと等しい遅延を与える第１の遅延工程と、前記第１の遅延工程を経た２つのパルス光と前記第１の分岐工程で分岐された他方の２つのパルス光とを等しい強度で合波することで干渉させて、２つの出力端のいずれかに干渉光を出力する第１の合波工程と、前記第１の合波工程の２つの出力端のうちの一方からの干渉光を検出する第１の光検出工程と、前記第１の合波工程の２つの出力端のうちの他方からの干渉光を検出する第２の光検出工程と、前記第１の光検出工程での干渉光の検出時刻と、当該干渉光に対応する、前記第１の位相変調工程で用いた位相値とを記録する第１の記録工程と、前記第２の光検出工程での干渉光の検出を記録する第２の記録工程と、前記第１の記録工程で記録された前記検出時刻を前記受信機から前記送信機に伝えることによって、前記受信機における前記第１の記録工程で記録された位相値と、前記送信機において記録された前記位相値とに基づいて前記受信機および前記送信機で共通の秘密鍵を得る工程とを備えることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２３】
図３に、本発明の一実施形態による秘密鍵配送システムの構成例を示す。この秘密鍵配送システムは、送信機と、受信機を含み、これらが光ファイバなどの伝送路を介して接続されている。送信機は、パルス光を発生するレーザ光源と、パルス光を５０：５０で分岐するビームスプリッタＢＳ０と、時間差τの光路差を有し、干渉計を構成する２つのアームと、長い方のアームの光の位相を変調する位相変調器ＰＭと、２つのアームからの光を５０：５０で合波するビームスプリッタＢＳ１とを備えている。一方、受信機は、送信機からの光を５０：５０で分岐するビームスプリッタＢＳ２と、時間差τの光路差を有し、干渉計を構成する２つのアームと、短い方のアームの光の位相を変調する位相変調器ＰＭと、２つのアームからの光を５０：５０で合波するビームスプリッタＢＳ３と、ビームスプリッタＢＳ３からの光をそれぞれのポートで検出するフォトカウンタＤＥＴ−Ｓ，ＤＥＴ−Ｍとを備えている。
【００２４】
レーザ光源からは、単一光子レベルではなく、比較的大きな強度のパルス光が出射される。このパルス光は、５０：５０のビームスプリッタＢＳ０で分岐される。干渉計の短い方のアームを通った光は、ビームスプリッタＢＳ１から参照光として出力される。一方、干渉計の長い方のアームを通った光は、位相変調器ＰＭで２値｛０，δ｝のどちらかに確率１／２でランダムに位相変調され、ビームスプリッタＢＳ１から位相変調光として出力される。この位相変調光は、参照光に対して、干渉計の２つのアームの光路差に応じて時間差τだけ遅延されている。これにより、同じ強度で同じ周波数をもつ２つの連続する参照光と位相変調光が生成される。このとき、ＣＰＵで変調データを記録しておく。ここで、光の強度および位相変調の値δは、送信機端において、図４に示すように、量子雑音（量子揺らぎ）による信号状態拡がりが一部重なりあう程度とする。
【００２５】
この２つの連続する参照光と位相変調光は、伝送路を介して受信機に達する。受信機において、参照光と位相変調光は、５０：５０のビームスプリッタＢＳ２で分岐される。分岐した参照光のうち干渉計の長い方のアームを通った光は、時間差τの遅延を受ける。一方、分岐した位相変調光のうち干渉計の短いアームを通った光は、位相変調器ＰＭで２値｛０，−δ｝のどちらかに確率１／２でランダムに位相変調される。干渉計の２つのアームからの光は、５０：５０のビームスプリッタＢＳ３で合波され、時間差τの遅延を受けた参照光と、位相変調された位相変調光とが干渉し、２つのフォトカウンタＤＥＴ−Ｓ，ＤＥＴ−Ｍで検出される。実際には、時間差τの２連続パルスを分岐し、遅延光路を介して合波すると、３つの時間スロットで光が検出されるが、最初と最後のスロットのデータは破棄し、参照光と位相変調光が干渉する真中のスロットでの検出結果をＣＰＵ−Ｓ，ＣＰＵ−Ｍで記録する。
【００２６】
次に、受信機での情報の検出について説明する。参照光の電場をＥR＝Ｅｅｘｐ［ｊωｔ］、位相変調光の電場をＥS＝Ｅｅｘｐ［ｊ（ωｔ＋θ）］とする。ここで、Ｅは、受信機への入射光の電場の複素振幅、ωはレーザ光源の角速度、θは送信機と受信機で施した合計の位相変調をそれぞれ表している。ＤＥＴ−Ｓへの入射光のパワーＷSとＤＥＴ−Ｍへの入射光のパワーＷMは、それぞれ、次式のように表される。
ＷS＝｜ＥS／√２＋ＥR／√２｜2＝２Ｅ2ｓｉｎ2（θ／２）
ＷM＝｜ＥS／√２−ＥR／√２｜2＝２Ｅ2ｃｏｓ2（θ／２）
【００２７】
この式から、送信機と受信機で施した合計の位相変調θが０のとき、すなわち、送信機での位相変調が０で受信機側での位相変調が０のとき、または送信機での位相変調がδで受信機側での位相変調が−δのとき、ＤＥＴ−Ｓへの入射光のパワーは常に０になることが分かる。上記以外の位相変調の組合せの場合、フォトカウンタＤＥＴ−Ｓに光が入射する。
【００２８】
ここで、ＤＥＴ−Ｓに入射する光の強度を、盗聴を防ぐために、平均光子数が単一光子レベルより小さくなるように、送信機側で参照光と位相変調光の強度および位相変調δの値を予め選定しておく。そうすると、この微弱な光によりＤＥＴ−Ｓが確率的にクリックする。従って、受信機の位相変調が０でＤＥＴ−Ｓがクリックしたとき、送信機側ではδの位相変調を行なっていたことを知ることができる。同様に、受信機の位相変調が−δでＤＥＴ−Ｓがクリックしたとき、送信機側では０の位相変調を行なっていたことを知ることができる。ＤＥＴ−Ｓにクリックを生じさせたパルスに対して受信機で施した位相変調の値、およびそのパルスを受け取った時刻を受信機のＣＰＵ−Ｓに記録しておく。また、ＤＥＴ−Ｍに起きたクリックの割合をＣＰＵ−Ｍに記録しておく。このＤＥＴ−Ｍでのクリックの割合が非常に小さい場合、プロトコルを中止するよう送信機に伝える。
【００２９】
受信機は、どの時刻でパルスによるＤＥＴ−Ｓのクリックが発生したのかを送信機に通常の回線を用いて伝える。送信機は、この情報を元にして、ＣＰＵに記録された位相変調データを調べ、対応するパルス以外のデータを消去する。送信機および受信機の位相変調を十分な精度で行い、伝送路の雑音および受信機の検出器のダークカウントが無視できる場合、送信機の残りのデータと受信機側のＣＰＵ−Ｓに記録されているデータは一致するので、これを秘密鍵とする。雑音がある場合、エラー訂正コードおよび秘匿性増強プロトコルを用いることにより、安全な秘密鍵を共有することができる。
【００３０】
図５に、本発明の別の実施形態による秘密鍵配送システムの構成例を示す。この秘密鍵配送システムでは、送信機の位相変調器ＰＭを２つのアームからの光を合波するビームスプリッタＢＳ１の後段に配置し、受信機の位相変調器ＰＭを送信機からの光を分岐するビームスプリッタＢＳ２の前段に配置しており、この点で図３のシステムと相違している。
【００３１】
図３のシステムと同様、レーザ光源からは、単一光子レベルではなく、比較的大きな強度のパルス光が出射される。このパルス光は、５０：５０のビームスプリッタＢＳ０で分岐される。この分岐したパルス光は、干渉計を経て、５０：５０のビームスプリッタＢＳ１で合波されると、時間差τの２つの連続するパルス光となる。遅延していない最初のパルス光は、位相変調器ＰＭで変調されることなく出力され、参照光となる。一方、遅延した方のパルス光は、位相変調器ＰＭで変調される。すなわち、２値｛０，δ｝のどちらかに確率１／２でランダムに位相変調され、位相変調光となる。これにより、同じ強度で同じ周波数をもつ２つの連続する参照光と位相変調光が生成される。このとき、ＣＰＵで変調データを記録しておく。ここで、光の強度および位相変調の値δは、送信機端において、図４に示すように、量子雑音（量子揺らぎ）による信号状態拡がりが一部重なりあう程度とする。
【００３２】
この２つの連続する参照光と位相変調光は、図３のシステムと同様、伝送路を介して受信機に達する。受信機において、参照光は、位相変調器ＰＭで変調されることなく出力される。一方、位相変調光は、位相変調器ＰＭで２値｛０，−δ｝のどちらかに確率１／２でランダムに位相変調される。次に、これら２つの光は、５０：５０のビームスプリッタＢＳ２で分岐される。分岐した参照光のうち干渉計の長い方のアームを通った光は、時間差τの遅延を受ける。この参照光は、分岐した位相変調光のうち干渉計の短いアームを通った光と、５０：５０のビームスプリッタＢＳ３で合波される。時間差τの遅延を受けた参照光と、位相変調された位相変調光とが干渉し、２つのフォトカウンタＤＥＴ−Ｓ，ＤＥＴ−Ｍで検出される。実際には、時間差τの２つの連続パルスを分岐し、遅延光路を介して合波すると、３つの時間スロットで光が検出されるが、最初と最後のスロットのデータは破棄し、参照光と位相変調光が干渉する真中のスロットでの検出結果をＣＰＵ−Ｓ，ＣＰＵ−Ｍで記録する。
【００３３】
図３のシステムと同様、送信機と受信機で施した合計の位相変調θが０のとき、すなわち、送信機での位相変調が０で受信機側での位相変調が０のとき、または送信機での位相変調がδで受信機側での位相変調が−δのとき、ＤＥＴ−Ｓへの入射光のパワーは常に０になることが分かる。上記以外の位相変調の組合せの場合、フォトカウンタＤＥＴ−Ｓに光が入射する。
【００３４】
ここで、ＤＥＴ−Ｓに入射する光の強度を、盗聴を防ぐために、平均光子数が単一光子レベルより小さくなるように、送信機側で参照光と位相変調光の強度および位相変調δの値を予め選定しておく。そうすると、この微弱な光によりＤＥＴ−Ｓが確率的にクリックする。従って、受信機の位相変調が０でＤＥＴ−Ｓがクリックしたとき、送信機側ではδの位相変調を行なっていたことを知ることができる。同様に、受信機の位相変調が−δでＤＥＴ−Ｓがクリックしたとき、送信機側では０の位相変調を行なっていたことを知ることができる。ＤＥＴ−Ｓにクリックを生じさせたパルスに対して受信機で施した位相変調の値、およびそのパルスを受け取った時刻を受信機のＣＰＵ−Ｓに記録しておく。また、ＤＥＴ−Ｍに起きたクリックの割合をＣＰＵ−Ｍに記録しておく。このＤＥＴ−Ｍでのクリックの割合が非常に小さい場合、プロトコルを中止するよう送信機に伝える。
【００３５】
受信機は、どの時刻でパルスによるＤＥＴ−Ｓのクリックが発生したのかを送信機に通常の回線を用いて伝える。送信機は、この情報を元にして、ＣＰＵに記録された位相変調データを調べ、対応するパルス以外のデータを消去する。送信機および受信機の位相変調を十分な精度で行い、伝送路の雑音および受信機の検出器のダークカウントが無視できる場合、送信機の残りのデータと受信機側のＣＰＵ−Ｓに記録されているデータは一致するので、これを秘密鍵とする。雑音がある場合、エラー訂正コードおよび秘匿性増強プロトコルを用いることにより、安全な秘密鍵を共有することができる。
【００３６】
本発明による秘密鍵配送方式に対する盗聴方法として、盗聴者は、ビームスプリッタを用いて、参照光と位相変調光を盗み、それらを測定する、という方法が考えられる。しかし、送信機および受信機における位相変調器による位相変調が小さいため、受信機がビット情報の検出に成功した光に対して、盗聴者もビット情報の検出に成功する確率は非常に小さく、従って漏れる情報も小さい。この漏れた情報は、秘匿性増強プロトコルを用いることによりいくらでも小さくできる。さらに、ＤＥＴ−Ｍで発生したクリックの割合も監視しているので、盗聴者が位相変調光と参照光を盗んだとしても、受信機側でその監視および検知が可能である。
【００３７】
以上、本発明について、具体的にいくつかの実施形態について説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、図３の送信機と、図５の受信機を組合せて使用することができる。このように、ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来の量子暗号通信の基本的な構成例を示す図である。
【図２】従来の秘密鍵配送方式の構成例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による秘密鍵配送システムの構成例を示す図である。
【図４】光の強度および位相変調の程度について説明するための図である。
【図５】本発明の別の実施形態による秘密鍵配送システムの構成例を示す図である。
【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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