(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査暗号装置が暗号鍵に基づくランニング鍵を用いて生成した暗号文である光信号がＭ値（Ｍ＞＞１）の位相変調信号であり、その光信号の複素振幅を測定する光ヘテロダイン受信部と、そのヘテロダイン受信部の出力から信号の位相情報を検出する位相信号検出器と、その出力からＭ値の位相を判定するＭ値位相信号判定器とで構成される信号検出装置と、
前記被検査暗号装置と同じ暗号鍵を持つ擬似乱数発生器と、
前記擬似乱数発生器の出力をｌｏｇ（Ｍ／２）ビット毎に１０進数に変換してランニング鍵を作る基底選択制御器と、
Ｍ値位相信号判定器の出力に含まれるランニング鍵と前記基底選択制御器が作ったランニング鍵とを比較するための比較器と、
前記比較器の出力の比較において一致しなかった回数を計数する計数器と
を有することを特徴とするＹｕｅｎ暗号の安全性評価装置。
【請求項２】
被検査暗号装置が暗号鍵に基づくランニング鍵を用いて生成した暗号文である光信号がＭ値の光直交振幅（ＱＡＭ）であり、その信号を測定する光ヘテロダイン受信部と、その出力からＱＡＭ信号を検出する信号検出器と、その出力からＭ値のＱＡＭを判定するＭ値ＱＡＭ信号判定器とで構成される信号検出装置と、
前記被検査暗号装置と同じ暗号鍵を持つ擬似乱数発生器と、
その出力をｌｏｇ（Ｍ／２）ビット毎に１０進数に変換してランニング鍵を作る基底選択制御器と、
前記Ｍ値ＱＡＭ信号判定器の出力に含まれるランニング鍵と前記基底選択制御器が作ったランニング鍵とを比較するための比較器と、
前記比較器の出力の比較において一致しなかった回数を計数する計数器と
を有することを特徴とするＹｕｅｎ暗号の安全性評価装置。
【請求項３】
被検査暗号装置が暗号鍵に基づくランニング鍵を用いて生成した暗号文である光信号がＭ値の光振幅変調信号あるいはＭ値の光強度変調信号であり、光ヘテロダイン受信部と、信号検出装置がその光振幅変調信号あるいはＭ値の光強度変調信号を判定する判定器とで構成される信号検出装置と、
前記被検査暗号装置と同じ暗号鍵を持つ擬似乱数発生器と、
その出力をｌｏｇ（Ｍ／２）ビット毎に１０進数に変換してランニング鍵を作る基底選択制御器と、
前記判定器の出力に含まれるランニング鍵と前記基底選択制御器が作ったランニング鍵とを比較するための比較器と、
前記比較器の出力の比較において一致しなかった回数を計数する計数器と
を有することを特徴とするＹｕｅｎ暗号の安全性評価装置。
【請求項４】
光ヘテロダイン受信部と、そのヘテロダイン受信部の出力から信号の位相情報を検出する位相信号検出器の代わりに、遅延検波や位相ダイバーシテイ検波で構成される信号検出装置を有することを特徴とする請求項１に記載のＹｕｅｎ暗号の安全性評価装置。
【請求項５】
ヘテロダイン受信部の代りに、直接、Ｍ値の光強度を光電流に変換する直接検波受信器を用いることを特徴とする請求項３に記載のＹｕｅｎ暗号の安全性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は物理現象によって安全性を保証する暗号の安全性を評価する装置に関するものであり、さらに詳しくは作成されたＹｕｅｎ暗号装置の既知平文攻撃と選択平文攻撃に対する安全性を定量的に評価する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現代の主要暗号は安全性の根拠を複雑性理論あるいは計算量に置き、数理科学と共に著しい発展を見せている。他方、通信過程において、その信号系の物理現象に関する物理学の原理を安全性の保証に使い解読不可能な暗号を実現する形式がある。これは物理暗号と呼ばれ、近年、開発が進んでいる量子暗号はこれに属している。
【０００３】
具体的な技術としての第１の量子暗号としては、１９８４年のＣ．Ｈ．ＢｅｎｎｅｔｔとＧ．Ｂｒａｓｓａｒｄとによる秘密鍵の配送プロトコル（ＢＢ−８４）がある［１］。これは完全に安全な暗号通信は平文より多い鍵数を用いるｏｎｅ  ｔｉｍｅ  ｐａｄ法でのみ可能であるという原理に沿ったもので、ｏｎｅ  ｔｉｍｅ  ｐａｄ法に必要な大量の鍵の配送を量子通信を応用して実現しようとするものである。
【０００４】
第２の量子暗号として、現状の光ネットワーク上で実用化が期待でき、無限の計算能力でも解読できない安全な共通鍵量子暗号が開発された。
【０００５】
この共通鍵量子暗号は、Ｍ値量子状態変調方式という新しい枠組を応用するものであり、正規送受信者間の光変復調装置はＭ個の量子状態信号基底を共通の擬似乱数にしたがって切り換えて通信することにより、直接平文を暗号通信するものである。
【０００６】
ここで量子状態信号基底とは１と０の情報を送信するときに、その情報を送信する２個の量子状態信号対を言うものである（以後単に基底と呼ぶ）。例えば０度と１８０度の位相のコヒーレント状態信号によって情報が送信されるとき、その２個の量子状態信号対が基底となる。
【０００７】
上記のアイデアに基づく暗号プロトコルはＹｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（Ｙ−００プロトコルと略称される）と呼ばれている。現在このＹ−００プロトコルを具現化する通信方式にはＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ大学［２］による光位相変調方式と玉川大学グループ［３］による光強度変調方式がある。
【０００８】
どのような暗号であれ、その暗号装置を実用化するためには、その暗号の強さを第三者によって評価する必要がある。現代の数理的なアルゴリズムによって構成されるブロック暗号やストリーム暗号などの共通鍵暗号の暗号としての強度の評価は現時点で多くの暗号学者や数学者が理解し得る解読アルゴリズムに照らして、提案された暗号がそれらの解読アルゴリズムによる安全性の基準を満たすか否かを審査することで実施される。
【０００９】
しかし、その評価は絶対的評価ではなく、あくまでも現時点での解読アルゴリズムによる評価であり、将来、新しい解読アルゴリズムが開発されれば、その暗号は安全ではなくなることもあり得る。
【００１０】
量子暗号の利点の一つは盗聴実験によって絶対評価が可能となることである。単一光子量子暗号であるＢＢ−８４と光通信量子暗号であるＹ−００は理論的原理が全く違うので、その評価法も全く違う。
【００１１】
ＢＢ−８４の安全性の保証の原理は盗聴者が信号に何らかの測定行為を行えばその効果を正規通信者が検知できることに基づいている。しかし、現実の光ファイバーや空間伝送においてエネルギー損失などがあるため、受信された単一光子が持つ変動効果が盗聴者の効果なのかエネルギー損失によるものであるのか判定できず、盗聴実験を実施しても、直接その観測データから安全性を定量的に評価できない。
【００１２】
そこで、正規受信者が受信する光子に対する誤り率を測定してその数値が１１％以下であれば、理論的に安全になる手法が存在するという存在定理を利用して実装された単一光子量子暗号の受信機の誤り率を測定し、その数値により安全であることを評価している。
【００１３】
Ｙｕｅｎ暗号では盗聴者が信号にふれても正規通信者は検知できない。しかし、自動的に盗聴者のデータには量子ゆらぎによるエラーがあり通信のデータを解読することができないように設計される。したがって、Ｙ−００の安全性は盗聴者のデータがどの程度誤りを持つかを評価することによって実施できる。
【００１４】
文献２のＹｕｅｎ暗号の基本原理について図３により説明する。
【００１５】
図３に示す暗号通信システムは送信装置と受信装置と両装置をつなぐ例えば光ファイバーなどからなる通信路３０７から構成されるものである。
【００１６】
図３に示すシステムおいて、レーザーダイオードからなる搬送波発生器３０１は光搬送波を出力するものであり、Ｍ値位相変調器３０２は送信データを搬送波に位相変調するものであり、送信用擬似乱数発生器３０３、受信用擬似乱数発生器３０４は初期鍵Ｋの入力により擬似乱数を発生するものである。初期鍵Ｋを送信用擬似乱数発生器３０３および受信用擬似乱数発生器３０４に入力すると同一の擬似乱数列が出力される。この２個の擬似乱数発生器３０３、３０４は同期が取られている。
【００１７】
この送信装置は、送信用擬似乱数発生器３０３と、その出力側に接続された基底選択制御器３０５と、送信データ発生器と、入力側を送信データ発生器と基底選択制御器３０５にかつ出力側を通信路３０７に接続されたＭ値位相変調器３０２とを有してなるものである。さらにＭ値位相変調器３０２の入力側にはレーザーダイオードからなる搬送波発生器３０１が接続されている。送信データ発生器は１または０からなる送信データを発生する。
【００１８】
初期鍵Ｋが入力されると擬似乱数発生器３０３は２進数擬似乱数列を出力し、これが２進数Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵となる。
【００１９】
基底選択制御器３０５はこの２進数Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵列をｌｏｇ（Ｍ／２）ビット毎にブロックにして、そのブロックに対応する１０進数に変換して真のＲｕｎｎｉｎｇ鍵とする。それらを基底情報として出力する。
【００２０】
Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵にしたがって基底選択制御器が基底群の一つを選択し、Ｍ値位相変調器３０２に指令すると、Ｍ値位相変調器３０２はその基底に指示されている位相を用いて１と０を通信路３０７を経て受信装置に伝送する。
【００２１】
他方受信装置は、局発レーザー３０８と合波器３０９とフォトダイオード３１０で構成される光ヘテロダイン受信器と受信用擬似乱数発生器３０４と、その出力側に接続された基底選択制御器３１１と、基底選択制御器３１１に接続された位相平面基本軸制御器３１２とを有してなる。
【００２２】
擬似乱数発生器３０４および基底選択制御器３１１は送信装置側の擬似乱数発生器３０３および基底選択制御器３０５とその構成・機能が実質的に同一である。
【００２３】
位相平面基本軸制御器３１２は基底選択制御器３１１によって指定される基底情報に基づいて、受信された後の信号をどのしきい値で判定するかを制御し、１と０との判定を行って、受信データを出力する。
【００２４】
以上のシステムにおいては、正規受信者は信号間距離が大きい２値の信号識別を行うことになるので誤りがほとんどない。しかし初期鍵を知らない盗聴者は信号間距離の小さいＭ値の信号識別のための受信方法に制限される故に、その受信データには量子ゆらぎ、あるいは量子ショット雑音によって誤りが発生し、盗聴者は暗号文自体の情報が得られない。
【００２５】
このような仕組みはランダム・ストリーム暗号の一種であるが、量子ゆらぎによってランダム化されるため、そのランダム性を計算によって確定値に戻すことは不可能である。したがってこれらの理由からＹ−００プロトコルは超安全で、極限では解読不可能な安全性を持つ暗号を実現し得る。
【００２６】
このように、Ｙｕｅｎ暗号は通信システム自体が量子性の弱い従来の光通信で構成されているが、初期鍵を知らない盗聴者は量子ゆらぎによって情報が得られない工夫がなされていることに基づく超安全性を提供する暗号である。
【非特許文献１】Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ  ａｎｄ  Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ，“Ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ”，Ｐｒｏｃ．  ＩＥＥＥ，  Ｉｎｔ．  Ｃｏｎｆ．  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ  ｓｙｓｔｅｍ，  ａｎｄ  ｓｉｇｎａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，  ｐ．  １７５，  （１９８４）
【非特許文献２】Ｇ．Ａ．Ｂａｒｂｏｓａ，  Ｅ．Ｃｏｒｎｄｏｒｆ，  Ｐ．Ｋｕｍａｒ，  Ｈ．Ｐ．Ｙｕｅｎ，  “Ｓｅｃｕｒｅ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｓｔａｔｅ”，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．，  ｖｏｌ−９０，  ２２７９０１，  （２００３）
【非特許文献３】Ｏ．Ｈｉｒｏｔａ，  Ｋ．Ｋａｔｏ，  Ｍ．Ｓｏｈｍａ，  Ｔ．Ｕｓｕｄａ，  Ｋ．Ｈａｒａｓａｗａ，  “Ｑｕａｎｔｕｍ  ｓｔｒｅａｍ  ｃｉｐｈｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ”，  Ｐｒｏｃ．  ｏｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｉｍａｇｉｎｇ，  ＳＰＩＥ．  ｖｏｌ−５５５１，  （２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
従来の数理的暗号では、現在その安全性を数値的に評価することは不可能である。しかし、量子暗号のような物理現象を安全性の保証とする暗号では、その安全性は暗号通信システムにおける物理的パラメータを測定することによって数量化が可能である。
【００２８】
したがって、実際にＹｕｅｎ暗号システムを実装した場合、その暗号システムの安全性の評価を自らが行うか、あるいは第三者に付託する必要がある。その際、暗号通信システムが暗号としてどれほど安全であるかを評価する装置が必要となる。Ｙｕｅｎ暗号はまだ開発されたばかりであり、その安全性評価の実施法は提案されていない。
【００２９】
Ｙｕｅｎ暗号は共通鍵暗号に属するので、その安全性は暗号文単独攻撃、既知平文攻撃、選択平文攻撃に対する安全性の評価が基準となる。暗号文単独攻撃に関しては、従来の暗号でも充分安全であり、量子暗号に求められる安全性は既知平文攻撃と選択平文攻撃に対する安全性である。
【００３０】
かかる技術の現状に鑑みてこの発明の目的は、Ｙｕｅｎ暗号が実装された場合、その既知平文攻撃と選択平文攻撃に対する安全性の能力を数量的に評価するための装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
このためこの発明のＹｕｅｎ暗号安全性評価装置は、現在想定される最高の技術を有する盗聴者が実際に盗聴すると考えられる機構を構成し、盗聴者の測定データに含まれるエラーを分析することによって、当該システムの性能を評価することを要旨とするものである。
【００３２】
より具体的には評価装置は通信路により結ばれた送信装置と受信装置とからなり、送信装置に規定の確定データを入力し、該データを暗号化した光信号を送信させ、該光信号を直接最高性能の受信装置で受信し、その暗号化されたデータを暗号鍵を知らない場合の最適な復号機構を用いて復号し、試験されるべきＹｕｅｎ暗号送信装置に用いられているＲｕｎｎｉｎｇ鍵と比較して、その違いを計数することによって安全性を評価することを要旨とするものである。
【００３３】
Ｙｕｅｎ暗号はストリーム系の暗号であるから、評価に便利な入力データを強制的に入力する選択平文攻撃に対する評価は既知平文攻撃を含む。
【発明の効果】
【００３４】
この発明によれば、実際にＹｕｅｎ暗号システムが製作された際、そのシステムが既知平文攻撃あるいは選択平文攻撃に対して従来の数理的暗号では実現できない安全性を持つことを数量的に評価することが可能となり、商品化の際には安全性の基準値を数値でユーザーに示すことができるようになる。
【実施例１】
【００３５】
図１に示すのはこの発明の第１の実施例である位相変調方式のＹｕｅｎ暗号の安全性評価装置の基本的構成であり、該装置は送信装置１００と受信装置２００と両装置を結ぶ例えば光ファイバーなどからなる通信路３００とからなるものである。
【００３６】
送信装置１００は暗号の初期鍵Ｋと公開される擬似乱数発生器１０３によって生成される擬似乱数をｌｏｇ（Ｍ／２）ビット毎に１０進数に変換して、その数値にしたがってレーザー光の位相変調基底を選択して、その基底を用いて送るべきデータビットを位相変調する装置である。この送信装置１００に情報データとして全て０の信号が挿入される。これが選択平文に対応する。
【００３７】
この送信装置１００はレーザーダイオードなどからなる搬送波発生器１０１と、擬似乱数発生器１０３と、その出力側に接続された基底選択制御器１０５と、搬送波発生器１０１および基底選択制御器１０５の出力側に接続されたＭ値位相変調器１０７を含んでなるものである。これらの構成要素はそれぞれ図３に示すシステムにおける搬送波発生器３０１、擬似乱数発生器３０３、基底選択制御器３０５、Ｍ値位相変調器３０２と構成および作用が実質的に同一のものである。
【００３８】
Ｍ値位相変調器１０７から出力される光信号は通信路３００を介して受信装置２００に送信される。
【００３９】
受信装置２００はヘテロダイン受信部と、擬似乱数発生器２０９と、その出力側に接続された基底選択制御器２１１と、入力側をヘテロダイン受信部に接続された位相信号検出器２０７と、その出力側に接続されたＭ値位相信号判定器２１３と、基底選択制御器２１１およびＭ値位相信号判定器２１３の出力側に接続された比較器２１５とその出力側に接続された計数器２１７から構成されている。
【００４０】
これらのうち擬似乱数発生器２０９と基底選択制御器２１１は送信装置１００の擬似乱数発生器１０３と基底選択制御器１０５とその構成作用が実質的に同じである。
【００４１】
ヘテロダイン受信部は通信路３００から入力される光信号をハーフミラー２０１と局発レーザーダイオード２０３とフォトダイオード２０５で処理して受信信号とする。
【００４２】
その受信信号からコスタスループと呼ばれる位相信号検出器２０７によって受信信号のアナログ的位相値を出力する。その情報信号はＭ値位相信号判定器２１３で処理されて、暗号送信装置で使用されるＭ値の数値のひとつとして出力され、その出力値を比較器２１５へ送る。
【００４３】
被試験Ｙｕｅｎ暗号の送信装置では暗号鍵を持つ擬似乱数発生器が用いられるので、該評価装置においてそれと同じ暗号鍵を持つ同じ擬似乱数発生器２０９を被試験送信装置と同期させ擬似乱数を出力させ、その出力を基底選択制御器２１１に送り、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成し、それらを比較器２１５へ送る。比較器２１５は両者を比較し、計数器２１７によって一致しない個数を計測する。
【００４４】
以上より、選択平文を送信データとする被試験Ｙｕｅｎ暗号の送信装置から送信される信号は暗号化装置のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の情報を運んでいることになり、それを光ヘテロダイン受信部などで構成された当該評価装置において、光信号として受信されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵と実際に使用されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵が比較されることになる。
【００４５】
かかる構成によれば、Ｙ−００プロトコルのＹｕｅｎ暗号に対する選択平文攻撃において、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の情報を得る過程での誤り確率が評価でき、別途、評価理論にその誤り確率を照らして、被試験Ｙｕｅｎ暗号装置の安全性を評価することが可能である。
【００４６】
図２に示すのはこの発明の評価装置の第２の実施例であって、その構成は図１に示す第１の実施例とほとんど同じであるが、暗号文が光強度信号として送信されるＹｕｅｎ暗号に関するものであり、第１の実施例におけるＭ値位相変調器１０７の代わりにＭ値強度変調器１０８が使用されるので、受信装置は位相信号検出器２０７を振幅信号検出器２２１に、またＭ値位相信号判定器２１３をＭ値振幅判定器２２３に、それぞれ置換したものである。図１の構成の実施例をかかる構成の実施例に変更することにより、光振幅や光強度信号方式のＹｕｅｎ暗号の暗号強度評価装置を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
この発明は広く暗号通信の分野において利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明によるＹｕｅｎ暗号の安全性評価装置の第１の実施例の構成図である。
【図２】この発明によるＹｕｅｎ暗号の安全性評価装置の第２の実施例の構成図である。
【図３】Ｙｕｅｎ暗号を用いた通信システムの基本構成図である。
【符号の説明】
【００４９】
１００：  送信装置
２００：  受信装置
１０３、２０９：  擬似乱数発生器
１０５、２１１：  基底選択制御器
１０１：  搬送波発生器
１０７：  Ｍ値位相変調器
１０８：  Ｍ値強度変調器
３００：  通信路
２０７：  位相信号検出器
２１３：  Ｍ値位相信号判定器
２１５：  比較器
２１７：  計数器
２２１：  振幅信号検出器
２２３：  Ｍ値振幅判定器
【図１】
0004761028.tif 000002
【図２】
0004761028.tif 000003
【図３】
0004761028.tif 000004