(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムであって、
前記第１の装置は、
時間的な相関がある量子もつれ光子対であって、複数の時間位置を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生手段であって、該量子もつれ光子対は、所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生手段と、
前記変調時刻に関する第１の情報と、前記変調時刻の各々における、変調の状態を示す第２の情報とを、前記変調時刻の各々について記録する第１の記憶手段と、
前記変調時刻の各々について、前記第１の記憶手段に記録された第１の情報および第２の情報に基づいて、前記所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０であるかπであるかを示す第３の情報を取得する取得手段と、
前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離手段とを備え、
前記所定の変調時刻と、該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の時間間隔は、所定の時間間隔であり、
前記第２の装置は、
前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐する第１の光分岐手段と、
前記第１の光分岐手段により分岐された光の一方が入力され、前記第１の光分岐手段により分岐された光の他方に対して前記所定の時間間隔だけ遅延させた状態で出力する遅延手段と、
前記遅延手段から出力された光が第１の入力端子に入力され、前記第１の光分岐手段により分岐された光の他方が第２の入力端子に入力される２×２の入出力端子を有する第１の光カプラと、
前記第１の光カプラの第１の出力端子に接続された第１の光子検出器と、
前記第１の光カプラの第２の出力端子に接続された第２の光子検出器と、
前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第４の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第５の情報を記録する第２の記憶手段とを備え、
前記第３の装置は、
前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐する第２の光分岐手段と、
前記第２の光分岐手段により分岐された光の一方が入力され、前記第２の光分岐手段により分岐された光の他方に対して前記所定の時間間隔だけ遅延させた状態で出力する遅延手段と、
前記遅延手段から出力された光が第１の入力端子に入力され、前記第２の光分岐手段により分岐された光の他方が第２の入力端子に入力される２×２の入出力端子を有する第２の光カプラと、
前記第２の光カプラの第１の出力端子に接続された第３の光子検出器と、
前記第２の光カプラの第２の出力端子に接続された第４の光子検出器と、
前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第６の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第７の情報を記録する第３の記憶手段とを備え、
前記第１の装置が、前記暗号鍵によって前記通信信号を暗号化する場合、
前記第１の装置は、前記第４の情報および前記第６の情報が入力されると、該入力された第４の情報および前記第６の情報に基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第８の情報を取得し、該第８の情報と第３の情報とにより、前記暗号鍵を生成し、
前記第２の装置は、前記第６の情報および前記第７の情報が入力されると、該入力された第６の情報および第７の情報と、前記第２の記憶手段に記録された第４の情報および第５の情報とにより、前記暗号鍵を生成し、
前記第３の装置は、前記第４の情報および前記第５の情報が入力されると、該入力された第４の情報および第５の情報と、前記第３の記憶手段に記録された第６の情報および第７の情報とにより、前記暗号鍵を生成することを特徴とする量子暗号鍵共有システム。
【請求項２】
互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムであって、
前記第１の装置は、
時間的な相関がある量子もつれ光子対であって、複数の時間位置を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生手段であって、該量子もつれ光子対は、所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生手段と、
前記変調時刻に関する第１の情報と、前記変調時刻の各々における、変調の状態を示す第２の情報とを、前記変調時刻の各々について記録する第１の記憶手段と、
前記変調時刻の各々について、前記第１の記憶手段に記録された第１の情報および第２の情報に基づいて、前記所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０であるかπであるかを示す第３の情報を取得する取得手段と、
前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離手段とを備え、
前記所定の変調時刻と、該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の時間間隔は、所定の時間間隔であり、
前記第２の装置は、
前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐する第１の光分岐手段と、
前記第１の光分岐手段により分岐された光の一方が入力され、前記第１の光分岐手段により分岐された光の他方に対して前記所定の時間間隔だけ遅延させた状態で出力する遅延手段と、
前記遅延手段から出力された光が第１の入力端子に入力され、前記第１の光分岐手段により分岐された光の他方が第２の入力端子に入力される２×２の入出力端子を有する第１の光カプラと、
前記第１の光カプラの第１の出力端子に接続された第１の光子検出器と、
前記第１の光カプラの第２の出力端子に接続された第２の光子検出器と、
前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第４の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第５の情報を記録する第２の記憶手段とを備え、
前記第３の装置は、
前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐する第２の光分岐手段と、
前記第２の光分岐手段により分岐された光の一方が入力され、前記第２の光分岐手段により分岐された光の他方に対して前記所定の時間間隔だけ遅延させた状態で出力する遅延手段と、
前記遅延手段から出力された光が第１の入力端子に入力され、前記第２の光分岐手段により分岐された光の他方が第２の入力端子に入力される２×２の入出力端子を有する第２の光カプラと、
前記第２の光カプラの第１の出力端子に接続された第３の光子検出器と、
前記第２の光カプラの第２の出力端子に接続された第４の光子検出器と、
前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第６の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第７の情報を記録する第３の記憶手段とを備え、
前記第２の装置が、前記暗号鍵によって前記通信信号を暗号化する場合、
前記第１の装置は前記第４の情報および前記第６の情報が入力され、前記第２の装置は前記第６の情報が入力され、前記第３の装置は前記第４の情報が入力され、
前記第２の装置は、前記入力された第６の情報と前記第２の記憶手段に記録された第４の情報とに基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第８の情報を取得し、該第８の情報と第５の情報とにより、前記暗号鍵を生成し、
前記第１の装置は、前記入力された第４の情報と第６の情報とに基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第９の情報を取得し、該第９の情報と第３の情報とにより、前記同時に光子を受信した時刻毎に前記第２の装置および第３の装置間の相関の正負を示す第１０の情報を取得し、前記第７の情報が入力されると、該第７の情報と前記第１０の情報とにより、前記暗号鍵を生成し、
前記第３の装置は、前記入力された第４の情報と前記第３の記憶手段に記録された第６の情報とに基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第１１の情報を取得し、前記第１０の情報が入力されると、該入力された第１０の情報と、前記第３の記憶手段に記録された第７の情報と、前記第１１の情報とにより、前記暗号鍵を生成することを特徴とすることを特徴とする量子暗号鍵共有システム。
【請求項３】
前記量子もつれ光子対発生手段は、
前記量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子発生器と、
前記量子もつれ光子対発生器から出力された量子もつれ光子対に対して、前記所定の時間間隔で０またはπの位相変調を印加する位相変調手段と
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の量子暗号鍵共有システム。
【請求項４】
前記量子もつれ光子対発生手段は、
ポンプ光を出力するポンプ光源と、
前記ポンプ光源から出力されたポンプ光に対して、前記所定の時間間隔で０またはπの位相変調を印加する位相変調手段と、
前記位相変調されたポンプ光が入力される、２次の非線形光学効果を持つ非線形光素子と
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の量子暗号鍵共有システム。
【請求項５】
前記量子もつれ光子対発生手段は、
ポンプ光を出力するポンプ光源と、
前記ポンプ光源から出力されたポンプ光に対して、前記所定の時間間隔で０またはπ／２の位相変調を印加する位相変調手段と、
前記位相変調されたポンプ光が入力される、３次の非線形光学効果を持つ非線形光素子と
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の量子暗号鍵共有システム。
【請求項６】
互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムにおいて、前記暗号鍵を生成するための量子暗号鍵生成方法であって、
前記第１の装置が、時間的な相関がある量子もつれ光子対であって、複数の時間位置を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生工程であって、該量子もつれ光子対は、所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生工程と、
前記第１の装置が、前記変調時刻に関する第１の情報と、前記変調時刻の各々における、変調の状態を示す第２の情報とを、前記変調時刻の各々について記録する第１の記憶工程と、
前記第１の装置が、前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離工程と、
前記第２の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第１の合波工程と、
前記第２の装置が、前記第１の合波工程にて合波した光を、前記第２の装置が備える第１の光子検出器または第２の光子検出器にて検出する第１の検出工程と、
前記第２の装置が、前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第３の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第４の情報を記録する第２の記憶工程と、
前記第３の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第２の合波工程と、
前記第３の装置が、前記第２の合波工程にて合波した光を、前記第３の装置が備える第３の光子検出器または第４の光子検出器にて検出する第２の検出工程と、
前記第３の装置が、前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第５の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第６の情報を記録する第３の記憶工程とを有し、
前記所定の変調時刻と、該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の時間間隔は、前記所定の時間間隔であり、
前記第１の装置が、前記第３の情報および前記第５の情報が入力されると、該入力された第３の情報および前記第５の情報に基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第７の情報を取得し、該第７の情報と前記所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０であるかπであるかを示す第８の情報とにより、前記暗号鍵を生成する第１の生成工程と、
前記第２の装置が、前記第５の情報および前記第６の情報が入力されると、該入力された第５の情報および第６の情報と、前記第２の記憶工程にて記録された第３の情報および第４の情報とにより、前記暗号鍵を生成する第２の生成工程と、
前記第３の装置が、前記第３の情報および前記第４の情報が入力されると、該入力された第３の情報および第４の情報と、前記第３の記憶工程にて記録された第５の情報および第６の情報とにより、前記暗号鍵を生成する第３の生成工程とをさらに有し、
前記第１の生成工程の前に、前記第１の装置が、前記変調時刻の各々について、前記第１の記憶工程にて記録された第１の情報および第２の情報に基づいて、前記第８の情報を取得することを特徴とする量子暗号鍵生成方法。
【請求項７】
互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムにおいて、前記暗号鍵を生成するための量子暗号鍵生成方法であって、
前記第１の装置が、時間的な相関がある量子もつれ光子対であって、複数の時間位置を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生工程であって、該量子もつれ光子対は、所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生工程と、
前記第１の装置が、前記変調時刻に関する第１の情報と、前記変調時刻の各々における、変調の状態を示す第２の情報とを、前記変調時刻の各々について記録する第１の記憶工程と、
前記第１の装置が、前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離工程と、
前記第２の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第１の合波工程と、
前記第２の装置が、前記第１の合波工程にて合波した光を、前記第２の装置が備える第１の光子検出器または第２の光子検出器にて検出する第１の検出工程と、
前記第２の装置が、前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第３の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第４の情報を記録する第２の記憶工程と、
前記第３の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第２の合波工程と、
前記第３の装置が、前記第２の合波工程にて合波した光を、前記第３の装置が備える第３の光子検出器または第４の光子検出器にて検出する第２の検出工程と、
前記第３の装置が、前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第５の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第６の情報を記録する第３の記憶工程とを有し、
前記所定の変調時刻と、該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の時間間隔は、前記所定の時間間隔であり、
前記第１の装置に対して前記第３の情報および前記第５の情報を入力し、前記第２の装置に対して前記第５の情報を入力し、前記第３の装置に対して前記第３の情報を入力する入力工程と、
前記第２の装置が、前記入力された第５の情報と前記第２の記憶工程にて記録された第３の情報とに基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第７の情報を取得し、該第７の情報と第４の情報とにより、前記暗号鍵を生成する第１の生成工程と、
前記第１の装置が、前記入力された第３の情報と第５の情報とに基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第８の情報を取得し、該第８の情報と前記所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０であるかπであるかを示す第９の情報とにより、前記同時に光子を受信した時刻毎に前記第１の装置および第２の装置間の相関の正負を示す第１０の情報を取得し、前記第６の情報が入力されると、該第６の情報と前記第１０の情報とにより、前記暗号鍵を生成する第２の生成工程と、
前記第３の装置が、前記入力された第３の情報と前記第３の記憶工程にて記録された第５の情報とに基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第１１の情報を取得し、前記第１０の情報が入力されると、該入力された第１０の情報と、前記第３の記憶工程にて記録された第６の情報と、前記第１１の情報とにより、前記暗号鍵を生成する第３の生成工程とをさらに有し、
前記第１の生成工程の前に、前記第１の装置が、前記変調時刻の各々について、前記第１の記憶工程にて記録された第１の情報および第２の情報に基づいて、前記第９の情報を取得することを特徴とする量子暗号鍵生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号鍵共有システムおよび量子暗号鍵生成方法に関し、より詳細には、一人の送信者が２人の受信者に対して信号を送信する際、送信側の装置からデータを暗号化、復号化するための暗号鍵を、２台の受信側の装置に分配して供給する量子暗号鍵共有システムおよび量子暗号鍵生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、より安全で秘匿性に優れた情報システムを実現するために、量子秘密鍵共有と呼ばれるシステムの研究が行われている。秘密鍵共有とは、使用者Ａ，Ｂ，Ｃの３者間で、一人が送信者となり他の二人に対して暗号通信を行うための秘密鍵配送法である。例えば使用者Ｃを送信者とすると、使用者Ｃは該使用者Ｃが使用する装置Ｃを用いて、使用者Ａが使用する装置Ａと使用者Ｂが使用する装置Ｂとに秘密鍵を、使用者Ａと使用者Ｂとが互いの装置にて受信した情報を持ち寄らなければ秘密鍵の内容が全くわからないようにして送る。使用者Ｃはこの鍵を用いて通信を暗号化して使用者Ａと使用者Ｂとに送付する。使用者Ａと使用者Ｂが協力して互いの情報を持ち寄った場合のみ、秘密鍵が彼らに明らかになり使用者Ｃからの通信内容を解読できる。量子秘密鍵共有とは、量子力学の不確定性原理を利用して、物理的に安全性が保証された秘密鍵共有を実現するものである。
【０００３】
従来、量子秘密鍵共有の提案は非特許文献１においてなされた。この方法は、装置Ａ，Ｂ，Ｃの３つに、３粒子の量子もつれ状態の１粒子ずつを分配する。以下では、３光子の偏波もつれ状態を例として非特許文献１に記載された量子秘密鍵共有の方法を説明する。装置Ａ，Ｂ，Ｃに分配する３光子偏波もつれ状態は例えば次のように記述できる。
【０００４】
【数１】
0004612509.tif 000002
【０００５】
ここで、Ｖ，Ｈはそれぞれ縦偏波、横偏波状態であり、｜Ｚ＞ｉは、ｉ（＝｛装置Ａ，Ｂ，Ｃ｝；単に、Ａ，Ｂ，Ｃとも書く）の光子の偏波状態がＺ（＝｛Ｖ，Ｈ｝）であることを表している。装置Ｂ，Ｃは、それぞれの持っている光子に対して斜め偏波Ｘまたは円偏波Ｙの測定系を選択して測定する。斜め偏波系の測定に対する固有状態は、｜Ｖ＞，｜Ｈ＞を用いて次のように表される。
【０００６】
【数２】
0004612509.tif 000003
【０００７】
【数３】
0004612509.tif 000004
【０００８】
一方円偏波測定系に対する固有状態は次のように表される。
【０００９】
【数４】
0004612509.tif 000005
【００１０】
【数５】
0004612509.tif 000006
【００１１】
例えば、装置Ｂ，Ｃが共にＸ基底で測定したとすると、３粒子系の状態は次のように表される。
【００１２】
【数６】
0004612509.tif 000007
【００１３】
すなわち、装置ＢとＣとが同じ測定結果を得たときは、装置Ａの状態は｜Ｘ＋＞Ａであり、異なる結果を得たときには｜Ｘ−＞Ａである。言い換えれば、装置ＡがＸ基底で測定したとすると、装置Ａは自分の測定結果より、装置Ｂと装置Ｃとが同じ測定結果を得ているか（正相関）、逆の測定結果を得ているか（負相関）を知ることが出来る。
【００１４】
同様に、装置Ｂと装置Ｃとが共にＹ基底で測定した場合には、装置ＡはＸ基底で測定すれば、装置Ｂと装置Ｃとの測定結果の相関の正負を知ることが出来る。また、装置Ｂと装置Ｃとが互いに異なる基底で測定した場合は、装置ＡはＹ基底で測定すれば、装置Ｂと装置Ｃとの測定結果の相関の正負を知ることが出来る。
【００１５】
上記の３光子偏波もつれ状態の性質を生かして、次の手順で秘密鍵共有を行うことが出来る。  
ステップ１：複数組の３光子偏波もつれ状態を、各組について１粒子ずつが装置Ａ，Ｂ，Ｃの各々に配置されるように、あらかじめ分配しておく。  
ステップ２：装置Ａ，Ｂ，Ｃは一定の時間ごとに、互いに偏波もつれ状態にある光子をとりだし、ＸまたはＹの測定系をランダムかつ各々独立に選択して測定する。測定時刻、測定系、測定結果を各々記録しておく。  
ステップ３：装置Ａ，Ｂ，Ｃは各時刻において自分たちの測定に用いた測定系を公開する（測定結果は伝えない）。
【００１６】
ステップ４：装置Ａ，Ｂ，Ｃは、装置Ａの測定基底が装置Ｂ，Ｃの測定基底に対して正しく設定されている場合（すなわち、装置Ａが装置Ｂ，Ｃの相関の方向を知ることの出来る場合）の測定結果のみを残し、他を捨てる。  
ステップ５：装置Ｃは、自分の受信した測定結果を基に、例えば、Ｘ＋，Ｙ＋をビット０，Ｘ−，Ｙ−をビット１として鍵を作成し、それを用いて装置Ａ，Ｂに対し暗号化した通信を行う。  
ステップ６：装置Ａは装置Ｂ，Ｃの相関の正負はわかっているが、測定結果はわからない。一方、装置Ｂは自分の測定結果が装置Ｃの測定結果と正又は負の相関があることはわかっているが、相関の正負はわからない。よって、装置Ａと装置Ｂとの情報を総合した場合のみ、鍵に対する全ての情報を得ることが出来る。
【００１７】
【非特許文献１】Mark Hilery et al. “Quantum secret sharing” PHYSICAL REVIEW A Vol 59, NUMBER 3, MARCH 1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、３粒子の量子もつれ状態を生成、検出することは現状の技術では大変難しい。よって、非特許文献１の方式により秘密鍵共有システムを実際に構築することは極めて困難である。
【００１９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡易な構成で物理的に安全が保証された量子暗号鍵共有システムおよび量子暗号鍵生成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムであって、前記第１の装置は、時間的な相関がある量子もつれ光子対であって、複数の時間位置を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生手段であって、該量子もつれ光子対は、所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生手段と、前記変調時刻に関する第１の情報と、前記変調時刻の各々における、変調の状態を示す第２の情報とを、前記変調時刻の各々について記録する第１の記憶手段と、前記変調時刻の各々について、前記第１の記憶手段に記録された第１の情報および第２の情報に基づいて、前記所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０であるかπであるかを示す第３の情報を取得する取得手段と、前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離手段とを備え、前記所定の変調時刻と、該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の時間間隔は、所定の時間間隔であり、前記第２の装置は、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐する第１の光分岐手段と、前記第１の光分岐手段により分岐された光の一方が入力され、前記第１の光分岐手段により分岐された光の他方に対して前記所定の時間間隔だけ遅延させた状態で出力する遅延手段と、前記遅延手段から出力された光が第１の入力端子に入力され、前記第１の光分岐手段により分岐された光の他方が第２の入力端子に入力される２×２の入出力端子を有する第１の光カプラと、前記第１の光カプラの第１の出力端子に接続された第１の光子検出器と、前記第１の光カプラの第２の出力端子に接続された第２の光子検出器と、前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第４の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第５の情報を記録する第２の記憶手段とを備え、前記第３の装置は、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐する第２の光分岐手段と、前記第２の光分岐手段により分岐された光の一方が入力され、前記第２の光分岐手段により分岐された光の他方に対して前記所定の時間間隔だけ遅延させた状態で出力する遅延手段と、前記遅延手段から出力された光が第１の入力端子に入力され、前記第２の光分岐手段により分岐された光の他方が第２の入力端子に入力される２×２の入出力端子を有する第２の光カプラと、前記第２の光カプラの第１の出力端子に接続された第３の光子検出器と、前記第２の光カプラの第２の出力端子に接続された第４の光子検出器と、前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第６の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第７の情報を記録する第３の記憶手段とを備え、前記第１の装置が、前記暗号鍵によって前記通信信号を暗号化する場合、前記第１の装置は、前記第４の情報および前記第６���情報が入力されると、該入力された第４の情報および前記第６の情報に基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第８の情報を取得し、該第８の情報と第３の情報とにより、前記暗号鍵を生成し、前記第２の装置は、前記第６の情報および前記第７の情報が入力されると、該入力された第６の情報および第７の情報と、前記第２の記憶手段に記録された第４の情報および第５の情報とにより、前記暗号鍵を生成し、前記第３の装置は、前記第４の情報および前記第５の情報が入力されると、該入力された第４の情報および第５の情報と、前記第３の記憶手段に記録された第６の情報および第７の情報とにより、前記暗号鍵を生成することを特徴とする。
【００２１】
請求項２記載の発明は、互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムであって、前記第１の装置は、時間的な相関がある量子もつれ光子対であって、複数の時間位置を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生手段であって、該量子もつれ光子対は、所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生手段と、前記変調時刻に関する第１の情報と、前記変調時刻の各々における、変調の状態を示す第２の情報とを、前記変調時刻の各々について記録する第１の記憶手段と、前記変調時刻の各々について、前記第１の記憶手段に記録された第１の情報および第２の情報に基づいて、前記所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０であるかπであるかを示す第３の情報を取得する取得手段と、前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離手段とを備え、前記所定の変調時刻と、該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の時間間隔は、所定の時間間隔であり、前記第２の装置は、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐する第１の光分岐手段と、前記第１の光分岐手段により分岐された光の一方が入力され、前記第１の光分岐手段により分岐された光の他方に対して前記所定の時間間隔だけ遅延させた状態で出力する遅延手段と、前記遅延手段から出力された光が第１の入力端子に入力され、前記第１の光分岐手段により分岐された光の他方が第２の入力端子に入力される２×２の入出力端子を有する第１の光カプラと、前記第１の光カプラの第１の出力端子に接続された第１の光子検出器と、前記第１の光カプラの第２の出力端子に接続された第２の光子検出器と、前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第４の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第５の情報を記録する第２の記憶手段とを備え、前記第３の装置は、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐する第２の光分岐手段と、前記第２の光分岐手段により分岐された光の一方が入力され、前記第２の光分岐手段により分岐された光の他方に対して前記所定の時間間隔だけ遅延させた状態で出力する遅延手段と、前記遅延手段から出力された光が第１の入力端子に入力され、前記第２の光分岐手段により分岐された光の他方が第２の入力端子に入力される２×２の入出力端子を有する第２の光カプラと、前記第２の光カプラの第１の出力端子に接続された第３の光子検出器と、前記第２の光カプラの第２の出力端子に接続された第４の光子検出器と、前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第６の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第７の情報を記録する第３の記憶手段とを備え、前記第２の装置が、前記暗号鍵によって前記通信信号を暗号化する場合、前記第１の装置は前記第４の情報および前記第６の情報が入力され、前記第２の装置は前記第６の���報が入力され、前記第３の装置は前記第４の情報が入力され、前記第２の装置は、前記入力された第６の情報と前記第２の記憶手段に記録された第４の情報とに基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第８の情報を取得し、該第８の情報と第５の情報とにより、前記暗号鍵を生成し、前記第１の装置は、前記入力された第４の情報と第６の情報とに基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第９の情報を取得し、該第９の情報と第３の情報とにより、前記同時に光子を受信した時刻毎に前記第２の装置および第３の装置間の相関の正負を示す第１０の情報を取得し、前記第７の情報が入力されると、該第７の情報と前記第１０の情報とにより、前記暗号鍵を生成し、前記第３の装置は、前記入力された第４の情報と前記第３の記憶手段に記録された第６の情報とに基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第１１の情報を取得し、前記第１０の情報が入力されると、該入力された第１０の情報と、前記第３の記憶手段に記録された第７の情報と、前記第１１の情報とにより、前記暗号鍵を生成することを特徴とすることを特徴とする。
【００２２】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記量子もつれ光子対発生手段は、前記量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子発生器と、前記量子もつれ光子対発生器から出力された量子もつれ光子対に対して、前記所定の時間間隔で０またはπの位相変調を印加する位相変調手段とを有することを特徴とする。
【００２３】
請求項４記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記量子もつれ光子対発生手段は、ポンプ光を出力するポンプ光源と、前記ポンプ光源から出力されたポンプ光に対して、前記所定の時間間隔で０またはπの位相変調を印加する位相変調手段と、前記位相変調されたポンプ光が入力される、２次の非線形光学効果を持つ非線形光素子とを有することを特徴とする。
【００２４】
請求項５記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記量子もつれ光子対発生手段は、ポンプ光を出力するポンプ光源と、前記ポンプ光源から出力されたポンプ光に対して、前記所定の時間間隔で０またはπ／２の位相変調を印加する位相変調手段と、前記位相変調されたポンプ光が入力される、３次の非線形光学効果を持つ非線形光素子とを有することを特徴とする。
【００２５】
請求項６記載の発明は、互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムにおいて、前記暗号鍵を生成するための量子暗号鍵生成方法であって、前記第１の装置が、時間的な相関がある量子もつれ光子対であって、複数の時間位置を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生工程であって、該量子もつれ光子対は、所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生工程と、前記第１の装置が、前記変調時刻に関する第１の情報と、前記変調時刻の各々における、変調の状態を示す第２の情報とを、前記変調時刻の各々について記録する第１の記憶工程と、前記第１の装置が、前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離工程と、前記第２の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第１の合波工程と、前記第２の装置が、前記第１の合波工程にて合波した光を、前記第２の装置が備える第１の光子検出器または第２の光子検出器にて検出する第１の検出工程と、前記第２の装置が、前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第３の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第４の情報を記録する第２の記憶工程と、前記第３の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第２の合波工程と、前記第３の装置が、前記第２の合波工程にて合波した光を、前記第３の装置が備える第３の光子検出器または第４の光子検出器にて検出する第２の検出工程と、前記第３の装置が、前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第５の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第６の情報を記録する第３の記憶工程とを有し、前記所定の変調時刻と、該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の時間間隔は、前記所定の時間間隔であり、前記第１の装置が、前記第３の情報および前記第５の情報が入力されると、該入力された第３の情報および前記第５の情報に基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第７の情報を取得し、該第７の情報と前記所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０であるかπであるかを示す第８の情報とにより、前記暗号鍵を生成する第１の生成工程と、前記第２の装置が、前記第５の情報および前記第６の情報が入力されると、該入力された第５の情報および第６の情報と、前記第２の記憶工程にて記録された第３の情報および第４の情報とにより、前記暗号鍵を生成する第２の生成工程と、前記第３の装置が、前記第３の情報および前記第４の情報が入力されると、該入力された第３の情報および第４の情報と��前記第３の記憶工程にて記録された第５の情報および第６の情報とにより、前記暗号鍵を生成する第３の生成工程とをさらに有し、前記第１の生成工程の前に、前記第１の装置が、前記変調時刻の各々について、前記第１の記憶工程にて記録された第１の情報および第２の情報に基づいて、前記第８の情報を取得することを特徴とする。
【００２６】
請求項７記載の発明は、互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムにおいて、前記暗号鍵を生成するための量子暗号鍵生成方法であって、前記第１の装置が、時間的な相関がある量子もつれ光子対であって、複数の時間位置を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生工程であって、該量子もつれ光子対は、所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生工程と、前記第１の装置が、前記変調時刻に関する第１の情報と、前記変調時刻の各々における、変調の状態を示す第２の情報とを、前記変調時刻の各々について記録する第１の記憶工程と、前記第１の装置が、前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離工程と、前記第２の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第１の合波工程と、前記第２の装置が、前記第１の合波工程にて合波した光を、前記第２の装置が備える第１の光子検出器または第２の光子検出器にて検出する第１の検出工程と、前記第２の装置が、前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第３の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第４の情報を記録する第２の記憶工程と、前記第３の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第２の合波工程と、前記第３の装置が、前記第２の合波工程にて合波した光を、前記第３の装置が備える第３の光子検出器または第４の光子検出器にて検出する第２の検出工程と、前記第３の装置が、前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第５の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第６の情報を記録する第３の記憶工程とを有し、前記所定の変調時刻と、該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の時間間隔は、前記所定の時間間隔であり、前記第１の装置に対して前記第３の情報および前記第５の情報を入力し、前記第２の装置に対して前記第５の情報を入力し、前記第３の装置に対して前記第３の情報を入力する入力工程と、前記第２の装置が、前記入力された第５の情報と前記第２の記憶工程にて記録された第３の情報とに基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第７の情報を取得し、該第７の情報と第４の情報とにより、前記暗号鍵を生成する第１の生成工程と、前記第１の装置が、前記入力された第３の情報と第５の情報とに基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第８の情報を取得し、該第８の情報と前記所定の変調時刻と該所定の変調時刻と隣接する変調時刻との間の相対位相差が０であるかπであるかを示す第９の��報とにより、前記同時に光子を受信した時刻毎に前記第１の装置および第２の装置間の相関の正負を示す第１０の情報を取得し、前記第６の情報が入力されると、該第６の情報と前記第１０の情報とにより、前記暗号鍵を生成する第２の生成工程と、前記第３の装置が、前記入力された第３の情報と前記第３の記憶工程にて記録された第５の情報とに基づいて、前記第２の装置および前記第３の装置が同時に光子を受信した時刻に関する第１１の情報を取得し、前記第１０の情報が入力されると、該入力された第１０の情報と、前記第３の記憶工程にて記録された第６の情報と、前記第１１の情報とにより、前記暗号鍵を生成する第３の生成工程とをさらに有し、前記第１の生成工程の前に、前記第１の装置が、前記変調時刻の各々について、前記第１の記憶工程にて記録された第１の情報および第２の情報に基づいて、前記第９の情報を取得することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明によれば、簡易な構成で物理的に安全性が保証された秘密鍵共有システムを構築することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。  
（第１の実施形態）  
図１は、本実施形態に係る量子暗号鍵共有システムの構成図である。  
図１において、光送信機１は、時間的な相関があり、多数（複数）の時間位置を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生源２と、量子もつれ光子対発生源２から出力された光子対に対して、１タイムスロット毎に（所定の時間間隔で）所定の位相変調を施す位相変調手段３と、位相変調手段３から出力された光子対について、２つの光子（信号光子とアイドラ光子）に分離して出力する分離手段４とを備えている。なお、位相変調手段３は、隣接するタイムスロットにおける相対位相差が０またはπとなるような変調を行う。よって、上記相対位相差が０またはπであれば、各時刻における変調の値はいずれであっても良い。
【００３１】
さらに、光送信機１は、光送信機１全体を制御する第１の制御部（不図示）を備えている。この第１の制御部は、制御を実行するＣＰＵと、このＣＰＵの制御プログラムを格納したＲＯＭおよびＣＰＵの作業領域を提供するＲＡＭを有する第１の記憶手段とを備え、光送信機１の各構成もこの制御部によって統合して制御される。また、光送信機１は、タイマシステム（不図示）を備えており、このタイマシステムは第１の制御部に接続されている。なお、光送信機１は、第１の制御部に接続された、所定の指令あるいはデータなどを入力するキーボードあるいは各種スイッチなどを含む入力操作部（不図示）、光送信機の入力・設定状態などをはじめとする種々の表示を行う表示部（不図示）などを備えても良い。
【００３２】
このような構成において、光送信機１は、後述する、量子暗号鍵を共有させたい装置である光受信機５、１１に対して、量子もつれ光子対を構成するそれぞれの光子を１個ずつ送信する機能を有する。さらに、光送信機１は、暗号化された情報などの各種情報を、インターネット等の情報伝送路１７、１８を介して光受信機５、１１と通信する機能を有する。すなわち、光送信機１は、秘密鍵作成に関わる光については送信機として働き、情報については送受信機として働く。
【００３３】
一方、図１において、光受信機５は、入力された光子を２つの出力ポートから出力する光分岐器６と、光分岐器６の一方の出力ポートに接続された、入力された光子に対して１タイムスロット分の時間遅延を与える遅延器７と、２つの入力ポートと２つの出力ポートａ、ｂを有する光カプラであって、一方の入力ポートには遅延器７が接続され、他方の入力ポートには光分岐器６の他方の出力ポートが接続された光カプラ８とを有する、遅延干渉計２２を備えている。また、光受信機５は、光カプラ８の出力ポートａに接続されたディテクタａ９と、光カプラ８の出力ポートｂに接続されたディテクタｂ１０とを備えている。
【００３４】
さらに、光受信機５は、光受信機５全体を制御する第２の制御部（不図示）を備えている。この第２の制御部は、制御を実行するＣＰＵと、このＣＰＵの制御プログラムを格納したＲＯＭおよびＣＰＵの作業領域を提供するＲＡＭを有する第２の記憶手段とを備え、光受信機５の各構成もこの制御部によって統合して制御される。また、光受信機５は、タイマシステム（不図示）を備えており、このタイマシステムは第２の制御部に接続されている。なお、光受信機５は、第２の制御部に接続された、所定の指令あるいはデータなどを入力するキーボードあるいは各種スイッチなどを含む入力操作部（不図示）、光受信機の入力・設定状態などをはじめとする種々の表示を行う表示部（不図示）などを備えても良い。
【００３５】
また、図１において、光受信機１１は、入力された光子を２つの出力ポートから出力する光分岐器１２と、光分岐器１２の一方の出力ポートに接続された、入力された光子に対して１タイムスロット分の時間遅延を与える遅延器１３と、２つの入力ポートと２つの出力ポートａ、ｂを有する光カプラであって、一方の入力ポートには遅延器１３が接続され、他方の入力ポートには光分岐器１２の他方の出力ポートが接続された光カプラ１４とを有する、遅延干渉計２３を備えている。また、光受信機１１は、光カプラ１４の出力ポートａに接続されたディテクタａ１５と、光カプラ１４の出力ポートｂに接続されたディテクタｂ１６とを備えている。
【００３６】
さらに、光受信機１１は、光受信機１１全体を制御する第３の制御部（不図示）を備えている。この第３の制御部は、制御を実行するＣＰＵと、このＣＰＵの制御プログラムを格納したＲＯＭおよびＣＰＵの作業領域を提供するＲＡＭを有する第３の記憶手段とを備え、光受信機１１の各構成もこの制御部によって統合して制御される。また、光受信機１１は、タイマシステム（不図示）を備えており、このタイマシステムは第３の制御部に接続されている。なお、光受信機１１は、第３の制御部に接続された、所定の指令あるいはデータなどを入力するキーボードあるいは各種スイッチなどを含む入力操作部（不図示）、光受信機の入力・設定状態などをはじめとする種々の表示を行う表示部（不図示）などを備えても良い。
【００３７】
また、図１において、光送信機１と光受信機５とは、光ファイバ等の光伝送路２０を介して接続され、光送信機１と光受信機１１とは、光ファイバ等の光伝送路２１を介して接続されている。
【００３８】
このような構成において、光受信機５、１１は、光送信機１から出力された、量子もつれ光子対を構成するそれぞれの光子を１個ずつ受信する機能を有する。さらに、光受信機５、１１は、暗号化された情報などの各種情報を、インターネット等の情報伝送路１７、１８を介して光送信機１と通信し、また光受信機同士では、情報伝送路１９を介して上記各種情報を通信する機能を有する。すなわち、光受信機５、１１は、秘密鍵作成に関する光については受信機として働き、情報については送受信機として働く。
【００３９】
以下の表現においては、｜ｋ＞ｓはタイムスロットｋにおいてモードｘ（ｓ：シグナル、ｉ：アイドラ）に１個の光子がある状態を指す。光送信機１は、量子もつれ光子対発生源２より、次式に示す量子相関光子対の多数の時間位置を基底とする重ね合わせ状態を出力する。
【００４０】
【数７】
0004612509.tif 000008
【００４１】
式（７）では、任意のタイムスロットｋにおける量子相関状態｜ｋ＞ｓ｜ｋ＞ｉと隣接するタイムスロット（ｋ＋１）における量子相関状態｜ｋ＋１＞ｓ｜ｋ＋１＞ｉとの相対位相差が０である場合を示している。光送信機１は、式（７）で表される量子もつれ光子対に対し、その隣接するタイムスロットにおける相対位相差が０またはπになるように、位相変調手段３を用いて位相変調を印加する。その結果、次の状態を得る。
【００４２】
【数８】
0004612509.tif 000009
【００４３】
ここで、φｋ＝｛０，π｝である。すなわち、φｋは、タイムスロットｋにおける、位相変調の状態を示す。
【００４４】
式（８）のように、位相変調手段３にて相対位相差に変調を施された量子もつれ光子対は、分離手段４を用いてシグナル光子とアイドラ光子とに分離され、一方の光子は光受信機５へと光伝送路２０を介して出力され、他方の光子は光受信機１１へと光伝送路２１を介して出力される。光受信機５、１１はそれぞれ、入力された光子を各々の持つ遅延干渉計に入力する。入力された光子の量子状態｜ｋ＞ｘは遅延干渉計２２、２３において次のように変換される。
【００４５】
【数９】
0004612509.tif 000010
【００４６】
表記｜ｋ，ｙ＞ｘにおいて、ｋはタイムスロット、ｘ＝Ａ，Ｂは、光受信機（Ａ；光受信機５、Ｂ；光受信機１１）、ｙ＝ａ，ｂは、各遅延干渉計の出力ポートａまたはｂを表す。
【００４７】
上記の変換を式（８）で表される量子もつれ光子対に適用して、スロットｋにおける同時計数に寄与する項を書き出すと次のようになる。
【００４８】
【数１０】
0004612509.tif 000011
【００４９】
ここで、Δφｋ＝φｋ−φｋ＋１である。すなわち、Δφｋは、隣り合うタイムスロットにおける相対位相差であって、対象となるタイムスロットと、そのすぐ後のタイムスロットとの間の相対位相差である。式（１０）では、簡単のため係数は省略した。式（１０）は、Δφｋ＝０であれば、光受信機５と光受信機１１との測定結果の間には正相関が観測されていることを示し、Δφｋ＝πであれば負相関が観測されることを示している。すなわち、光送信機１における相対位相に対する変調の値により、光受信機５と光受信機１１との観測結果の相関の正負を制御することが出来る。
【００５０】
なお、本発明の一実施形態において、光受信機間の「正相関、相関が正」とは、ある時刻において各光受信機における光子を検知したディテクタが、光受信機５のディテクタａ９と光受信機１１のディテクタａ１５とである場合、または、光受信機５のディテクタｂ１０と光受信機１１のディテクタｂ１６とである場合を指す。すなわち、ある時刻において光子を検知したディテクタが、各光受信機において共にディテクタａまたはディテクタｂである場合を指す。
【００５１】
一方、本発明の一実施形態において、光受信機間の「負相関、相関が負」とは、ある時刻において各光受信機における光子を検知したディテクタが、光受信機５のディテクタａ９と光受信機１１のディテクタｂ１６とである場合、または、光受信機５のディテクタｂ１０と光受信機１１のディテクタａ１５とである場合を指す。すなわち、ある時刻において光子を検知したディテクタが、各光受信機の相互間において、異なるディテクタの種類である場合を指す。本発明の一実施形態では、ディテクタの種類は、ディテクタａとディテクタｂとに分類されていることは言うまでも無い。
【００５２】
さて、本実施形態では、光カプラ８（１４）において、前後のパルス、すなわち、光分岐器６から直接入力されるタイムスロット（ｋ＋１）の第１の光子と、遅延器７（１３）を介して入力されるタイムスロットｋの第２の光子とが合波されるが、光カプラ８（１４）に入力される２つの光子の位相差によって、出力ポートが決まる。すなわち、第１の光子と第２の光子との位相差が０の場合は、合波されたパルスが出力ポートａから出力され、第１の光子と第２の光子との位相差がπの場合は、合波されたパルスが出力ポートｂから出力される。よって、本明細書において、「ディテクタａ」とは、各光受信機の光カプラの出力ポートａに接続されているディテクタを指す。また、本明細書において、「ディテクタｂ」とは、各光受信機の光カプラの出力ポートｂに接続されているディテクタを指す。
【００５３】
上記の性質を利用して、以下の２通りの手順のいずれを用いて、光送信機１、光受信機５、１１間で秘密鍵共有を行うことが出来る。
【００５４】
手順１：光送信機１が暗号化された情報の送信元（秘密鍵の生成元）である場合  
本手順では、互いに所在の離れた、光送信機１、光受信機５および光受信機１１のうちの、光送信機１が通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を光受信機５および光受信機１１に分配して供給する。本手順では、光送信機１が暗号鍵により情報を暗号化して、暗号鍵を共有したい装置である光受信機５および光受信機１１に対して、上記暗号化した情報を送信し、光受信機５および光受信機１１が暗号鍵により上記暗号化した情報を復号する。
【００５５】
工程１  
光送信機１は、Δφｋを｛０，π｝の２値でランダムに変調した、式（８）にて示される量子もつれ状態を発生し、光子を１個ずつ光受信機５と光受信機１１とに送る。
【００５６】
具体的には、量子もつれ光子対発生源２から次々と発生した量子もつれ光子対に対して、位相変調手段３にて所定の時間毎に０またはπの位相変調を行って、ある時刻（タイムスロットｋ）とその次の時刻（タイムスロット（ｋ＋１））との間の相対位相差を０またはπとする。このとき、位相変調手段３にて位相変調を行った時刻と、該時刻における変調データ（変調の状態を示す情報）とを、各時刻について、第１の記憶手段に記録する。
上記位相変調手段によって位相変調された量子もつれ光子対は、分離手段４にて分離され、一方の光子は光受信機５へ、また他方の光子は光受信機１１へと送られる。
【００５７】
工程２  
光受信機５と光受信機１１の各々は、それぞれの遅延干渉計に光子をいれ、出力ポートａとｂとに各々接続されたディテクタａ，ｂで、上記光子を受信する。このとき、光受信機５は、光子を受信した時刻に関する時刻情報とその時刻において光子を受信したディテクタを示すディテクタ情報を第２の記憶手段に記録する。同様に、光受信機１１は、光子を受信した時刻に関する時刻情報とその時刻において光子を受信したディテクタを示すディテクタ情報を第３の記憶手段に記録する。
【００５８】
工程３  
光受信機５は、光受信機５の第２の記憶手段に記録された時刻情報を、情報伝送路１７を介して光送信機１に送り、光送信機１の第１の記録手段に記録される、というプログラムに従って、時刻情報を光受信機５から光送信機１へと自動的に送り、第１の記憶手段に記録する。これと同様の動作が光受信機１１についても行う。その結果、第１の記憶手段には、光受信機５および光受信機１１の時刻情報が記録されることになる。なお、このとき、光受信機５および光受信機１１のディテクタ情報は、光送信機１へと送らない。
【００５９】
本実施形態では、光受信機５および光受信機１１から光送信機１へと上記プログラムに従って自動的に時刻情報を送るようにしているが、これに限定されない。例えば、光送信機１が上記時刻情報を、古典通信によって共有するようにしても良い。この場合は、光受信機５を使用する使用者αは、電話、ＦＡＸ、手紙、電子メール等の古典通信を用いて、光送信機１を使用する使用者γに光子を受信した時刻を伝える（受信したディテクタは秘密にしておく）。同様に、光受信機１１を使用する使用者βは、上記古典通信を用いて、使用者γに光子を受信した時刻を伝える（受信したディテクタは秘密にしておく）。使用者γは、入力操作部により光送信機１に上記時刻を入力し、第１の制御部は、上記入力に従って上記時刻情報を第１の記憶手段に記録する。
【００６０】
また、本実施形態では、上記時刻情報を、使用者α、βが、使用者γに直接会って口頭で伝えても良い。また、取り外し可能な記憶手段によって、光受信機から光送信機へと時刻情報を移動させても良い。
【００６１】
光送信機１は、第１の記憶手段に記録された位相変調を行った各時刻と各時刻に対応した変調データとに基づいて、ある時刻（タイムスロットｋ）とその次の時刻（タイムスロット（ｋ＋１））との相対位相差が０であるかπであるかに関する相対位相差データを、各時刻について求める。この、各時刻における相対位相差データを求める作業は、後述する工程４の前までに行っていれば、いつ行っても良い。すなわち、位相変調を行いながら行っても良いし、位相変調が終了してから行っても良い。
【００６２】
なお、本実施形態では、相対位相差データを、ある時刻（タイムスロットｋ）とその次の時刻（タイムスロット（ｋ＋１））との相対位相差を示すように生成しているが、ある時刻（タイムスロットｋ）とその前の時刻（タイムスロット（ｋ−１））との相対位相差を示すように生成しても良い。
【００６３】
工程４  
光送信機１は、第１の記憶手段に記憶された時刻情報から、光受信機５と光受信機１１とが同時に光子を受信した時刻を調べて上記同時に光子を受信した時刻に関する情報を取得し、該情報から上記同時に光子を受信した時刻の各々について、相対位相差データが０であった場合（正相関の場合）は０ビットを、πであった場合（負相関の場合）には１ビットを割り当てて、鍵を生成する。
【００６４】
工程５  
光送信機１は、工程４にて得られたビット列を鍵として情報を暗号化し、該暗号化された情報を光受信機５と光受信機１１とに通信をする。
【００６５】
工程６  
光受信機５と光受信機１１とは、光送信機１から送信された暗号化された情報を、それぞれの記憶手段に記録する。光受信機５と光受信機１１とは、光子を同時に受信した時刻において、相関の正負を調べることにより、鍵を知ることが出来る。すなわち、光受信機５が有する時刻情報およびそれに対応するディテクタ情報と、光受信機１１が有する時刻情報およびそれに対応するディテクタ情報とに基づいて、上記光子を同時に受信した各時刻について、各光受信機の受信したディテクタの種類が同じであれば正相関であるので、０ビットを割り当て、各光受信機の受信したディテクタの種類が異なっていれば負相関であるので、１ビットを割り当て、鍵を生成する。その際、光受信機５および光受信機１１はそれぞれ、互いの時刻情報から、光子を同時に受信した時刻に関する情報を取得することは言うまでも無い。
【００６６】
本工程では、光受信機５および光受信機１１において、光送信機１にて生成した鍵を生成するわけだが、そのためには、光受信機５が有する時刻情報およびディテクタ情報と、光受信機１１が有する時刻情報とディテクタ情報とから相関の正負を判断する必要があり、上記必要な情報（時刻情報およびディテクタ情報）を１つにまとめる等して互いに参照できるようにする必要がある。そのために、本実施形態では、光受信機５（光受信機１１）から光受信機１１（光受信機５）へと情報伝送路１９を介して自動的に必要な情報を送り、第３の記憶手段（第２の記憶手段）に記録する、というプログラムに従って、上記必要な情報を光受信機５（光受信機１１）から光受信機１１（光受信機５）へと自動的に送信する。
【００６７】
この、光受信機５（光受信機１１）から光受信機１１（光受信機５）へと自動的に必要な情報が情報伝送路１９を介して送信される場合は、光受信機１１の第３の制御部（光受信機５の第２の制御部）は、光受信機５（光受信機１１）から受信した光受信機５（光受信機１１）に関する時刻情報およびディテクタ情報と、第３の記憶手段（第２の記憶手段）に記録された光受信機１１（光受信機５）に関する時刻情報およびディテクタ情報とにより、光子を同時に受信した時刻において、相関の正負を判断して、鍵を生成する。
【００６８】
また本手順では、上記必要な情報を古典通信や、取り外し可能な記憶手段を用いて共有するか、または互いに上記必要な情報を持ち寄るようにしても良い。
【００６９】
例えば、古典通信を用いて共有したり、直接会う等して互いの情報を持ち寄る等して互いの情報を得る場合は、使用者α（使用者β）は、使用者β（使用者α）から送られた上記必要な情報を、入力操作部により光受信機５（光受信機１１）に入力する。次いで、第２の制御部（第３の制御部）は、第２の記憶手段（第３の記憶手段）に記録された光受信機５（光受信機１１）に関する時刻情報およびディテクタ情報と、入力された光受信機１１（光受信機５）に関する時刻情報およびディテクタ情報とにより、光子を同時に受信した時刻において、相関の正負を判断して、鍵を生成する。
【００７０】
また、光受信機５および光受信機１１とは別個の処理装置に、上記必要な情報を入力し、光子を同時に受信した時刻において、相関の正負を判断して、鍵を生成するようにしても良い。この場合は、別個の処理装置にて得られた鍵情報を、光受信機５および光受信機１１にそれぞれ入力すれば良い。
【００７１】
手順２：光受信機５が暗号化された情報の送信元（秘密鍵の生成元）である場合（以下では、情報の送信元が光受信機５として説明しているが、情報の送信元を光受信機１１としても良い）  
本手順では、互いに所在の離れた、光送信機１、光受信機５および光受信機１１のうちの、光受信機５が暗号鍵により情報を暗号化して、暗号鍵を共有したい装置である光送信機１および光受信機１１に対して、上記暗号化した情報を送信し、光送信機１および光受信機１１が暗号鍵により上記暗号化した情報を復号する。
【００７２】
工程１  
光送信機１は、Δφｋを｛０，π｝の２値でランダムに変調した、式（８）にて示される量子もつれ状態を発生し、光子を１個ずつ光受信機５と光受信機１１とに送る。
【００７３】
具体的には、量子もつれ光子対発生源２から次々と発生した量子もつれ光子対に対して、位相変調手段３にて所定の時間毎に０またはπの位相変調を行って、ある時刻（タイムスロットｋ）とその次の時刻（タイムスロット（ｋ＋１））との間の相対位相差を０またはπとする。このとき、位相変調手段３にて位相変調を行った時刻と、該時刻における変調データ（変調の状態を示す情報）とを、各時刻について、第１の記憶手段に記録する。
上記位相変調手段によって位相変調された量子もつれ光子対は、分離手段４にて分離され、一方の光子は光受信機５へ、また他方の光子は光受信機１１へと送られる。
【００７４】
工程２  
光受信機５と光受信機１１の各々は、それぞれの遅延干渉計に光子をいれ、出力ポートａとｂとに各々接続されたディテクタａ，ｂで、上記光子を受信する。このとき、光受信機５は、光子を受信した時刻に関する時刻情報とその時刻において光子を受信したディテクタを示すディテクタ情報を第２の記憶手段に記録する。同様に、光受信機１１は、光子を受信した時刻に関する時刻情報とその時刻において光子を受信したディテクタを示すディテクタ情報を第３の記憶手段に記録する。
【００７５】
工程３  
光送信機１、光受信機５および光受信機１１は、光子を受信した時刻の情報を共有するプログラムに従い、手順１の工程３と同様にして自動的に上記光子を受信した時刻情報を共有する（受信したディテクタは秘密にしておく）。このとき、光送信機１、光受信機５および光受信機１１のそれぞれの記憶手段には、光受信機５および光受信機１１の時刻情報が記録されていることになる。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同様に古典通信等を用いて上記光子を受信した情報を共有するようにしても良い。
【００７６】
上記共有の後に、光送信機１は、第１の記憶手段に記録された位相変調を行った各時刻と各時刻に対応した変調データとに基づいて、ある時刻（タイムスロットｋ）とその次の時刻（タイムスロット（ｋ＋１））との間の相対位相差データを、各時刻について求める。この、各時刻における相対位相差データを求める作業は、後述する工程６の前までに行っていれば、いつ行っても良い。
【００７７】
なお、本実施形態では、相対位相差データを、ある時刻（タイムスロットｋ）とその次の時刻（タイムスロット（ｋ＋１））との相対位相差を示すように生成しているが、ある時刻（タイムスロットｋ）とその前の時刻（タイムスロット（ｋ−１））との相対位相差を示すように生成しても良い。
【００７８】
工程４  
光受信機５は、第２の記憶手段に記録された時刻情報から、光受信機５と光受信機１１とが同時に光子を受信した時刻を調べて上記同時に光子を受信した時刻に関する情報を取得し、該情報から上記同時に光子を受信した時刻の各々について、光子の出力ポートがａであった場合は０ビットを、ｂであった場合には１ビットを割り当てて、鍵を生成する。
【００７９】
工程５  
光受信機５は、工程４にて得られたビット列を鍵として情報を暗号化し、光送信機１と光受信機１１とに通信をする。
【００８０】
工程６  
光送信機１と光受信機１１とは、光受信機５から送信された暗号化された情報を、それぞれの記憶手段に記録する。光送信機１は、第１の記憶手段に記録されている、各時刻における相対位相差データと、光受信機５および光受信機１１の時刻情報とに基づいて、光子を光受信機５と光受信機１１とが同時受信した時刻における相対位相差データから、光受信機５と光受信機１１との信号の相関の向き（相関の正負）に関する相関情報を取得する。この取得された相関情報は、第１の記憶手段に記録される。
【００８１】
一方、光受信機１１は、光子を光受信機５と光受信機１１とが同時受信した時刻における、光子を検知したディテクタの情報（ディテクタ情報）を持っている。よって、光送信機１が有する相関情報と、光受信機１１が有するディテクタ情報とを総合することにより、光送信機１と光受信機１１とは、光受信機５が生成した鍵を知ることが出来る。その際、光送信機１および光受信機１１はそれぞれ、光受信機５および光受信機１１の時刻情報から、光子を同時に受信した時刻に関する情報を取得することは言うまでも無い。
【００８２】
本工程では、光送信機１および光受信機１１において、光受信機５にて生成した鍵を生成するわけだが、そのためには、上記必要な情報（相関情報およびディテクタ情報）を１つにまとめる等して互いに参照できるようにする必要がある。そのために手順１にて説明したように、光送信機１（光受信機１１）から光受信機１１（光送信機１）へと情報伝送路１８を介して自動的に必要な情報を送り、第３の記憶手段（第１の記憶手段）に記録する、というプログラムに従って、上記必要な情報を光送信機１（光受信機１１）から光受信機１１（光送信機１）へと自動的に送信する。
【００８３】
この、光送信機１（光受信機１１）から光受信機１１（光送信機１）へと自動的に必要な情報が情報伝送路１８を介して送信される場合は、光受信機１１の第３の制御部（光送信機１の第１の制御部）は、光送信機１（光受信機１１）から受信した相関情報（ディテクタ情報）と、第３の記憶手段（第１の記憶手段）に記録されたディテクタ情報（相関情報）とにより、光子を同時に受信した時刻において、光受信機５が光子を受信したディテクタを判断して、鍵を生成する。
【００８４】
また本手順では、上記必要な情報を古典通信や、取り外し可能な記憶手段を用いて共有するか、または互いに上記必要な情報を持ち寄るようにしても良い。
【００８５】
例えば、古典通信を用いて共有したり、直接会う等して互いの情報を持ち寄る等して互いの情報を得る場合は、使用者γ（使用者β）は、使用者β（使用者γ）から送られた上記必要な情報を、入力操作部により光送信機１（光受信機１１）に入力する。次いで、第１の制御部（第３の制御部）は、第１の記憶手段（第３の記憶手段）に記録された光受信機５および光受信機１１に関する時刻情報ならびに相関情報（ディテクタ情報）と、入力されたディテクタ情報（相関情報）とにより、光子を同時に受信した時刻において、光受信機５が光子を受信したディテクタを判断して、鍵を生成する。
【００８６】
また、光送信機１および光受信機１１とは別個の処理装置に、上記必要な情報を入力し、光子を同時に受信した時刻において、光受信機５が光子を受信したディテクタを判断して、鍵を生成するようにしても良い。この場合は、別個の処理装置にて得られた鍵情報を、光送信機１および光受信機１１にそれぞれ入力すれば良い。
【００８７】
このように、本実施形態によれば、容易に生成できる２粒子の量子もつれ状態（２つの光子の偏波もつれ状態）を用いて量子暗号鍵を共有するようにしているので、簡易な構成で物理的に安全な量子暗号鍵の共有を実現することができる。
【００８８】
（第２の実施形態）  
図２は、本実施形態に係る、量子暗号鍵共有システムの構成図である。  
本実施形態は、第１の実施形態において、量子もつれ光子対発生源が、コヒーレントパルス列を出力するポンプ光源３１と、２次の非線形光学効果を持つ非線形媒質３２とを有しており、さらに位相変調手段３として、ポンプ光に対する光位相変調器を備えていることを特徴とする。
【００８９】
２次の非線形光学効果を持つ非線形媒質に、周波数ｆｐを持つポンプ光を入力すると、パラメトリック下方変換と呼ばれる過程により次の周波数に対する関係を満たす量子相関光子対を発生する。
【００９０】
【数１１】
0004612509.tif 000012
【００９１】
ここで、ｆｓ，ｆｉはそれぞれシグナル及びアイドラ光子の周波数である。一方、ポンプ光位相θｐと、シグナル位相θｓ、アイドラ位相θｉとの間には次式の関係が成り立っている。
【００９２】
【数１２】
0004612509.tif 000013
【００９３】
ポンプ光として、強度を適切に調整したコヒーレントパルス列を入力すると、上記の２次の非線形光学効果により、近似的に次式で示される量子相関状態の時間位置を基底とする重ね合わせ状態（量子もつれ光子対）が発生する。
【００９４】
【数１３】
0004612509.tif 000014
【００９５】
θｘｋはモードｘ（＝ｓ，ｉ，ｐ）の時刻ｋにおける位相を表す。θｐｋは次式のように表すことが出来る。
【００９６】
【数１４】
0004612509.tif 000015
【００９７】
ここで、Δｔはタイムスロット幅であり、ポンプ光の初期位相を０としている。またφｍｋはタイムスロットｋにおいてポンプ光に対し印加する位相変調の値である。ｆｐΔｔ＝Ｎ（Ｎは整数）となるようにΔｔを設定することにより、式（１３）は次のように表される。
【００９８】
【数１５】
0004612509.tif 000016
【００９９】
上式において、ポンプ光にφｍｋ＝｛０，π｝の位相変調を印加することにより、式（８）で表される量子もつれ光子対を発生することが出来る。すなわち、ポンプ光源３１から出力されたポンプ光に対して、位相変調手段３により所定の時間間隔で０またはπの位相変調を行い、該位相変調を行ったポンプ光を非線形媒質３２に入力することにより、式（８）に示す量子もつれ光子対を発生することができる。
【０１００】
（第３の実施形態）  
本実施形態について、図２を用いて説明する。  
本実施形態は、非線形媒質３２が２次の非線形光学効果を持つ非線形媒質ではなく、３次の非線形光学効果を持つ非線形媒質であることが、第２の実施形態と異なる点である。
【０１０１】
３次の非線形光学効果を持つ非線形媒質に、周波数ｆｐを持つポンプ光を入力すると、ポンプ縮退自然放出四光波混合と呼ばれる過程により次の周波数に対する関係を満たす量子相関光子対を発生する。
【０１０２】
【数１６】
0004612509.tif 000017
【０１０３】
一方、ポンプ光位相θｐと、シグナル位相θｓ、アイドラ位相θｉとの間には次式の関係か成り立っている。
【０１０４】
【数１７】
0004612509.tif 000018
【０１０５】
これらの関係式を用いると、第２の実施形態と同様の議論により、次のような量子もつれ光子対を得ることが出来る。
【０１０６】
【数１８】
0004612509.tif 000019
【０１０７】
上式において、ポンプ光にφｍｋ＝｛０，π／２｝の位相変調を印加することにより、式（８）で表される量子もつれ光子対を発生することが出来る。すなわち、ポンプ光源３１から出力されたポンプ光に対して、位相変調手段３により所定の時間間隔で０またはπ／２の位相変調を行い、該位相変調を行ったポンプ光を非線形媒質３２に入力することにより、式（８）に示す量子もつれ光子対を発生することができる。
【０１０８】
本実施形態では、位相変調手段３にて位相変調されたポンプ光について、非線形媒質３２に入力される前では、隣り合うタイムスロットの相対位相差は０またはπ／２であるが、非線形媒質３２から出力されたポンプ光は、上述のように、隣り合うタイムスロットの相対位相差は０またはπとなる。よって、本実施形態では、位相変調手段３によって０またはπ／２の位相変調を施されたポンプ光を３次の非線形光学効果を持つ非線形媒質３２を通過させることにより、非線形媒質３２から出力された量子もつれ光子対について、隣り合うタイムスロット間で量子もつれ光子対の相対位相差が０またはπとなる。
【０１０９】
なお、本実施形態では、光送信機１の第１の記憶手段に記録される変調データは、例えば、０またはπ／２など、位相差がπ／２となる変調データとなる。よって、相対位相差データは、０またはπを示すものではなく、０またはπ／２を示すものとなる。しかしながら、位相変調手段３から出力されたポンプ光は、非線形媒質３２を通過すると、隣り合うタイムスロットの相対位相差が０またはπとなるので、得られた相対位相差データについて、π／２をπと見なして後の処理を行えば良い。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る、量子暗号鍵共有システムの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、量子暗号鍵共有システムの構成図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１    光送信機
２    量子もつれ光子対発生源
３    位相変調手段
４    分離手段
５、１１    光受信機
６、１２    光分岐器
７、１３    遅延器
８、１４    光カプラ
９、１５    ディテクタａ
１０、１６    ディテクタｂ
１７、１８、１９    情報伝送路
２０、２１    光伝送路
２２、２３    遅延干渉計
３１    ポンプ光源
３２    非線形媒質
【図１】
0004612509.tif 000020
【図２】
0004612509.tif 000021