(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノード間で送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成システムであって、
偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第１及び第２の偏波もつれ光子対発生手段と、
補助ノードと、
第１、第２、第３及び第４のノードとを備え、
前記補助ノードは、
前記第１の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第１の入力ポートと、
前記第２の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第２の入力ポートと、
前記第１の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第１の２分の１波長板と、
前記第２の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第２の２分の１波長板と、
第１、第２、第３、及び第４のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子を前記第３のポートへ分岐結合させ、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子を前記第４のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、
前記第３のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第３の２分の１波長板と、
前記第４のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第４の２分の１波長板と、
前記第３の２分の１波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第１の出力ポートと、
前記第４の２分の１波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第２の出力ポートとを備え、
前記第１のノードは、
前記第１の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第１の偏波判別手段を備え、
前記第２のノードは、
前記第２の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する行う第２の偏波判別手段を備え、
前記第３のノードは、前記第１の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第３の偏波判別手段を備え、
前記第４のノードは、前記第２の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第４の偏波判別手段を備え、
前記第１、第２、第３、及び第４のノードの各々は、自ノードの偏波判別手段が光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を前記補助ノード及び自己以外の全ての各ノードに送信する手段を備え、
前記補助ノードは、前記第１、第２、第３、及び第４のノードのうちの２つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第１、第２、第３、及び第４の２分の１波長板の結晶軸の角度を前記第１、第２、第３、及び第４のノードに送信する手段を備え、
前記第１、第２、第３、及び第４のノードの各々は、前記第１、第２、第３、及び第４のノードのうちの２つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第１、第２、第３、及び第４の２分の１波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶する手段を備え、前記割り当てた所定のビットを、光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とすることを特徴とする量子鍵生成システム。
【請求項２】
前記量子鍵生成システムにおいて、
前記補助ノードと、前記第３または第４のノードとが一体であることを
を特徴とする請求項１に記載の量子鍵生成システム。
【請求項３】
ノード間において送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成システムであって、
偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第１及び第２の偏波もつれ光子対発生手段と、
第１、第２及び第３のノードとを備え、
前記第１のノードは、
前記第１の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第１の偏波判別手段を備え、
前記第２のノードは、
前記第２の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する行う第２の偏波判別手段を備え、
前記第３のノードは、
前記第１の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第１の入力ポートと、
前記第２の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第２の入力ポートと、
前記第１の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第１の２分の１波長板と、
前記第２の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第２の２分の１波長板と、
第１、第２、第３、及び第４のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子を前記第３のポートへ分岐結合させ、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子を前記第４のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、
前記第３のポートから出力される前記光子対の他方の光子を検出する光子検出手段と、
前記第４のポートから出力される前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第３の偏波判別手段とを備え、
前記第１、第２、及び第３のノードの各々は、自ノードの偏波判別手段が光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を前記補助ノード及び自己以外の全ての各ノードに送信する手段を備え、
前記第３のノードは、前記第１、第２、及び第３のノードのうちの２つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第１及び第２の２分の１波長板の結晶軸の角度を前記第１及び第２のノードに送信する手段を備え、
前記第１、第２、及び第３のノードの各々は、前記第１、第２、及び第３のノードのうちの２つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第１及び第２の２分の１波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶する手段を備え、前記割り当てた所定のビットを、光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とすることを特徴とする量子鍵生成システム。
【請求項４】
ノード間で送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成方法であって、
偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第１及び第２の偏波もつれ光子対発生手段と、補助ノードと、第１、第２、第３及び第４のノードとを備え、
前記補助ノードは、前記第１の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第１の入力ポートと、前記第２の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第２の入力ポートと、前記第１の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第１の２分の１波長板と、前記第２の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第２の２分の１波長板と、第１、第２、第３、及び第４のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子を前記第３のポートへ分岐結合させ、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子を前記第４のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、前記第３のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第３の２分の１波長板と、前記第４のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第４の２分の１波長板と、前記第３の２分の１波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第１の出力ポートと、前記第４の２分の１波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第２の出力ポートとを備え、前記第１のノードは、前記第１の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第１の偏波判別手段を備え、前記第２のノードは、前記第２の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する行う第２の偏波判別手段を備え、前記第３のノードは、前記第１の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第３の偏波判別手段を備え、前記第４のノードは、前記第２の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第４の偏波判別手段とを備え、前記方法は、
前記補助ノードが、
前記第１、第２、第３、及び第４の２分の１波長板の結晶軸の角度をそれぞれ、単位時間毎にランダムに、０度，０度，０度，及び０度、２２．５度，２２．５度，２２．５度，及び２２．５度の一方に、または０度，０度，０度，及び０度、−２２．５度，−２２．５度，−２２．５度，及び−２２．５度の一方に設定するステップと、
前記第１、第２、第３、及び第４のノードの各々が、
前記単位時間毎にランダムに、前記縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び前記＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された光子の偏波を判別するステップと、
光子の偏波を判別する前記ステップにおいて光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を前記補助ノード及び自己以外の全ての各ノードに送信するステップと、
前記補助ノードが、
前記第１、第２、第３、及び第４のノードのうちの２つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第１、第２、第３、及び第４の２分の１波長板の結晶軸の角度を前記第１、第２、第３、及び第４のノードに送信するステップと、
前記第１、第２、第３、及び第４のノードの各々が、
前記第１、第２、第３、及び第４のノードのうちの２つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第１、第２、第３、及び第４の２分の１波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶し、前記割り当てた所定のビットを光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とするステップと
を含むことを特徴とする量子鍵生成方法。
【請求項５】
ノード間において送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成方法であって、
偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第１及び第２の偏波もつれ光子対発生手段と、第１、第２及び第３のノードとを備え、
前記第１のノードは、前記第１の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第１の偏波判別手段を備え、前記第２のノードは、前記第２の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する行う第２の偏波判別手段を備え、前記第３のノードは、前記第１の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第１の入力ポートと、前記第２の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第２の入力ポートと、前記第１の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第１の２分の１波長板と、前記第２の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第２の２分の１波長板と、第１、第２、第３、及び第４のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子を前記第３のポートへ分岐結合させ、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子を前記第４のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、前記第３のポートから出力される前記光子対の他方の光子を検出する光子検出手段と前記第４のポートから出力される前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第３の偏波判別手段とを備え、前記方法は、
前記第３のノードが、
前記第１、及び第２の２分の１波長板の結晶軸の角度をそれぞれ、単位時間毎にランダムに、０度，２２．５度の一方に、または０度，−２２．５度の一方に設定するステップと、
前記第１、第２、及び第３のノードの各々が、
前記単位時間毎にランダムに、前記縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び前記＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された光子の偏波を判別するステップと、
光子の偏波を判別する前記ステップにおいて光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を自己以外の全ての各ノードに送信するステップと、
前記第３のノードが、
前記第１、第２、及び第３のノードのうちの２つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第１及び第２の２分の１波長板の結晶軸の角度を前記第１及び第２のノードに送信するステップと、
前記第１、第２、及び第３のノードの各々が、
前記第１、第２、及び第３のノードのうちの２つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第１、第２、及び第３の２分の１波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶し、前記割り当てた所定のビットを、光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とするステップと
を含むことを特徴とする量子鍵生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子鍵配送システム及び量子鍵生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子力学の不確定性原理を利用することにより、物理的に安全性が保障された暗号通信を行うことの出来る量子暗号システムの研究が進められている。量子暗号は、離れた２者間で、情報通信を暗号化、複合化するための暗号鍵を共有するための仕組みで、量子鍵配送とも呼ばれ、これまでにさまざまな方法が提案されてきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１８７２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の量子鍵配送は、２つのノード間における鍵配送を実現するものであった。そのため、３つ以上のノード間で共通の暗号鍵を共有するためには、２つ以上の量子暗号システムを組み合わせた複雑なシステムを構築する必要があるという問題があった。
【０００５】
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、３つ以上のノードのうちの２つ、３つ、または３つ以上のノード間で安全に共通の暗号鍵を共有するための量子鍵配信システム及び量子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】
【０００６】
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、ノード間で送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成システムであって、偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第１及び第２の偏波もつれ光子対発生手段と、補助ノードと、第１、第２、第３及び第４のノードとを備え、前記補助ノードは、前記第１の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第１の入力ポートと、前記第２の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第２の入力ポートと、前記第１の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第１の２分の１波長板と、前記第２の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第２の２分の１波長板と、第１、第２、第３、及び第４のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子を前記第３のポートへ分岐結合させ、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子を前記第４のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、前記第３のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第３の２分の１波長板と、前記第４のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第４の２分の１波長板と、前記第３の２分の１波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第１の出力ポートと、前記第４の２分の１波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第２の出力ポートとを備え、前記第１のノードは、前記第１の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第１の偏波判別手段を備え、前記第２のノードは、前記第２の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する行う第２の偏波判別手段を備え、前記第３のノードは、前記第１の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第３の偏波判別手段を備え、前記第４のノードは、前記第２の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第４の偏波判別手段を備え、前記第１、第２、第３、及び第４のノードの各々は、自ノードの偏波判別手段が光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を前記補助ノード及び自己以外の全ての各ノードに送信する手段を備え、前記補助ノードは、前記第１、第２、第３、及び第４のノードのうちの２つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第１、第２、第３、及び第４の２分の１波長板の結晶軸の角度を前記第１、第２、第３、及び第４のノードに送信する手段を備え、前記第１、第２、第３、及び第４のノードの各々は、前記第１、第２、第３、及び第４のノードのうちの２つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第１、第２、第３、及び第４の２分の１波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶する手段を備え、前記割り当てた所定のビットを、光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とすることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記量子鍵生成システムは、前記補助ノードと、前記第３または第４のノードとが一体であることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、ノード間において送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成システムであって、偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第１及び第２の偏波もつれ光子対発生手段と、第１、第２及び第３のノードとを備え、前記第１のノードは、前記第１の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第１の偏波判別手段を備え、前記第２のノードは、前記第２の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する行う第２の偏波判別手段を備え、前記第３のノードは、前記第１の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第１の入力ポートと、前記第２の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第２の入力ポートと、前記第１の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第１の２分の１波長板と、前記第２の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第２の２分の１波長板と、第１、第２、第３、及び第４のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子を前記第３のポートへ分岐結合させ、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子を前記第４のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、前記第３のポートから出力される前記光子対の他方の光子を検出する光子検出手段と、前記第４のポートから出力される前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第３の偏波判別手段とを備え、前記第１、第２、及び第３のノードの各々は、自ノードの偏波判別手段が光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を前記補助ノード及び自己以外の全ての各ノードに送信する手段を備え、前記第３のノードは、前記第１、第２、及び第３のノードのうちの２つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第１及び第２の２分の１波長板の結晶軸の角度を前記第１及び第２のノードに送信する手段を備え、前記第１、第２、及び第３のノードの各々は、前記第１、第２、及び第３のノードのうちの２つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第１及び第２の２分の１波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶する手段を備え、前記割り当てた所定のビットを、光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とすることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、ノード間で送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成方法であって、偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第１及び第２の偏波もつれ光子対発生手段と、補助ノードと、第１、第２、第３及び第４のノードとを備え、前記補助ノードは、前記第１の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第１の入力ポートと、前記第２の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第２の入力ポートと、前記第１の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第１の２分の１波長板と、前記第２の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第２の２分の１波長板と、第１、第２、第３、及び第４のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子を前記第３のポートへ分岐結合させ、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子を前記第４のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、前記第３のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第３の２分の１波長板と、前記第４のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第４の２分の１波長板と、前記第３の２分の１波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第１の出力ポートと、前記第４の２分の１波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第２の出力ポートとを備え、前記第１のノードは、前記第１の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第１の偏波判別手段を備え、前記第２のノードは、前記第２の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する行う第２の偏波判別手段を備え、前記第３のノードは、前記第１の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第３の偏波判別手段を備え、前記第４のノードは、前記第２の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第４の偏波判別手段とを備え、前記方法は、前記補助ノードが、前記第１、第２、第３、及び第４の２分の１波長板の結晶軸の角度をそれぞれ、単位時間毎にランダムに、０度，０度，０度，及び０度、２２．５度，２２．５度，２２．５度，及び２２．５度の一方に、または０度，０度，０度，及び０度、−２２．５度，−２２．５度，−２２．５度，及び−２２．５度の一方に設定するステップと、前記第１、第２、第３、及び第４のノードの各々が、前記単位時間毎にランダムに、前記縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び前記＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された光子の偏波を判別するステップと、光子の偏波を判別する前記ステップにおいて光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を前記補助ノード及び自己以外の全ての各ノードに送信するステップと、前記補助ノードが、前記第１、第２、第３、及び第４のノードのうちの２つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第１、第２、第３、及び第４の２分の１波長板の結晶軸の角度を前記第１、第２、第３、及び第４のノードに送信するステップと、前記第１、第２、第３、及び第４のノードの各々が、前記第１、第２、第３、及び第４のノードのうちの２つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第１、第２、第３、及び第４の２分の１波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶し、前記割り当てた所定のビットを光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とするステップとを含むことを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、ノード間において送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成方法であって、偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第１及び第２の偏波もつれ光子対発生手段と、第１、第２及び第３のノードとを備え、前記第１のノードは、前記第１の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第１の偏波判別手段を備え、前記第２のノードは、前記第２の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する行う第２の偏波判別手段を備え、前記第３のノードは、前記第１の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第１の入力ポートと、前記第２の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第２の入力ポートと、前記第１の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第１の２分の１波長板と、前記第２の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第２の２分の１波長板と、第１、第２、第３、及び第４のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子を前記第３のポートへ分岐結合させ、前記第１のポートから入力された前記第１の２分の１波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第２のポートから入力された前記第２の２分の１波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子を前記第４のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、前記第３のポートから出力される前記光子対の他方の光子を検出する光子検出手段と前記第４のポートから出力される前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第３の偏波判別手段とを備え、前記方法は、前記第３のノードが、前記第１、及び第２の２分の１波長板の結晶軸の角度をそれぞれ、単位時間毎にランダムに、０度，２２．５度の一方に、または０度，−２２．５度の一方に設定するステップと、前記第１、第２、及び第３のノードの各々が、前記単位時間毎にランダムに、前記縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び前記＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された光子の偏波を判別するステップと、光子の偏波を判別する前記ステップにおいて光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を自己以外の全ての各ノードに送信するステップと、前記第３のノードが、前記第１、第２、及び第３のノードのうちの２つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第１及び第２の２分の１波長板の結晶軸の角度を前記第１及び第２のノードに送信するステップと、前記第１、第２、及び第３のノードの各々が、前記第１、第２、及び第３のノードのうちの２つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第１、第２、及び第３の２分の１波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶し、前記割り当てた所定のビットを、光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とするステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、３つ以上のノードのうちの２つ、３つ、または３つ以上のノード間で安全に共通の暗号鍵を共有するための量子鍵配信システム及び量子鍵生成方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。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に、本発明にかかる量子鍵配信システムの第１の実施形態を示す。量子鍵配信システム１００は、シグナル光子とアイドラ光子とからなる光子対をそれぞれ出力する偏波もつれ光源１０１及び偏波もつれ光源１０２と、偏波もつれ光源１０１から出力されたアイドラ光子が入力されるノード１１１と、偏波もつれ光源１０２から出力されたアイドラ光子が入力されるノード１１２と、偏波もつれ光源１０１から出力されたシグナル光子及び偏波もつれ光源１０２から出力されたシグナル光子が、補助ノード１３０を介して入力されるノード１１３及び１１４とを備える。
【００１３】
偏波もつれ光源１０１及び偏波もつれ光源１０２は式（１）に示す量子状態を持つ偏波もつれ光子対を発生する。
【００１４】
【数１】
0004632203.tif 000002
【００１５】
ここで、｜Ｖ〉は縦偏波、｜Ｈ〉は横偏波の量子状態を示し、添え字ｓ及びｉはシグナル及びアイドラ光子を表す。
【００１６】
補助ノード１３０は、偏波もつれ光源１０１から出力されたシグナル光子が入力される入力ポート１３１と、偏波もつれ光源１０２から出力されたシグナル光子が入力される入力ポート１３２と、入力ポート１３１から入力されたシグナル光子の偏波を回転させる２分の１波長板（half wave plate:ＨＷＰ）１５１と、入力ポート１３２から入力されたシグナル光子の偏波を回転させるＨＷＰ１５２と、ポート１６１，１６２，１６３，１６４を有し、ポート１６１から入力されたＨＷＰ１５１を透過した垂直偏波のシグナル光及びポート１６２から入力されたＨＷＰ１５２を透過した水平偏波のシグナル光子をポート１６３へ分岐結合させ、ポート１６１から入力されたＨＷＰ１５１を透過した水平偏波のシグナル光子及びポート１６２から入力されたＨＷＰ１５２を透過した垂直偏波のシグナル光子をポート１６４へ分岐結合させる偏波ビームスプリッタ（Polarization beam splitter：ＰＢＳ）１６０と、ＰＢＳ１６０のポート１６３から出力されたシグナル光子の偏波を回転させるＨＷＰ１５３と、ＰＢＳ１６０のポート１６４から出力されたシグナル光子の偏波を回転させるＨＷＰ１５４と、ＨＷＰ１５３を透過したシグナル光子が出力される出力ポート１４１と、ＨＷＰ１５４を透過したシグナル光子が出力される出力ポート１４２とを備える。出力ポート１４１及び出力ポート１４２から出力されたシグナル光子はそれぞれノード１１３及び１１４へ入力される。
【００１７】
ＨＷＰ１５１，１５２，１５３，及び１５４はそれぞれ、ＨＷＰの結晶軸を単位時間毎に、垂直方向（から０度），及び垂直方向から＋２２．５度のいずれかに回転させる機構を備える。すなわち、ＨＷＰの結晶軸を垂直方向から０度にした場合、ＨＷＰを透過する光子の偏波がπだけ回転する。ＨＷＰの結晶軸を垂直方向から２２．５度回転した場合、ＨＷＰを透過する光子の偏波が４５度だけ回転する。ＨＷＰ１５１，１５２，１５３，及び１５４の結晶軸の角度の組み合わせは、（０度，０度，０度，０度）及び（２２．５度，２２．５度，２２．５度，２２．５度）のいずれか一方が単位時間毎にランダムに選択される。
【００１８】
ノード１乃至４の各々は、入力された光子に対し、垂直（Ｖ）または水平（Ｈ）偏波のどちらであるかを判別する測定（以下、｛Ｖ，Ｈ｝測定と呼ぶ）と、＋４５度偏波または−４５度偏波のどちらであるか判別する測定（以下、｛＋４５，−４５｝測定と呼ぶ）とのいずれか一方を、単位時間毎にランダムに選択して光子の偏波の判別を行う偏波判別機能を持つ光子検出手段１２１，１２２，１２３，１２４を備えている。
【００１９】
次に上記の構成における量子鍵配信システム１００の動作を説明する。  
偏波もつれ光源１０１から出力されたシグナル光子は、補助ノード１３０の入力ポート１３１を介してＨＷＰ１５１へ入力される。同様に、偏波もつれ光源１０２から出力されたシグナル光子は、補助ノード１３０の入力ポート１３２を介してＨＷＰ１５２へ入力される。
【００２０】
ＨＷＰ１５１及びＨＷＰ１５２はそれぞれ、ＨＷＰの結晶軸を単位時間毎にランダムに、垂直方向から０度及び垂直方向から＋２２．５度のいずれかに回転させられ、透過するシグナル光子の偏波をそれぞれ１８０度（πｒａｄ）または４５度（π／４ｒａｄ）回転させる。
【００２１】
ポート１６１を介してＰＢＳ１６０へ入力された水平偏波（偏波０ｒａｄまたはπｒａｄ）のシグナル光子、及びポート１６２を介してＰＢＳ１６０へ入力された垂直偏波（偏波π／２ｒａｄまたは−π／２ｒａｄ）のシグナル光子はポート１６３へ分岐結合され、ポート１６１を介してＰＢＳ１６０へ入力された垂直偏波のシグナル光子及びポート１６２を介してＰＢＳ１６０へ入力された水平偏波のシグナル光子はポート１６４へ分岐結合される。
【００２２】
ＨＷＰ１５３及びＨＷＰ１５４はそれぞれ、ＨＷＰの結晶軸を単位時間毎にランダムに、垂直方向から０度及び垂直方向から２２．５度のいずれかに回転させられ、透過するシグナル光子の偏波をそれぞれ０度または４５度（π／４ｒａｄ）回転させる。上記のとおり、ＨＷＰ１５１及びＨＷＰ１５２の結晶軸の角度が０度の場合、ＨＷＰ１５３及びＨＷＰ１５４の結晶軸の角度も０度に設定され、ＨＷＰ１５１及びＨＷＰ１５２の結晶軸の角度が２２．５度の場合、ＨＷＰ１５３及びＨＷＰ１５４の結晶軸の角度は２２．５度に設定される。ＨＷＰ１５３及びＨＷＰ１５４を透過したシグナル光子はそれぞれ、出力ポート１４１及び出力ポート１４２を介してノード１１３及びノード１１４へ入力される。
【００２３】
各ノードが備える光子検出手段１２１，１２２，１２３，１２４は、｛Ｖ，Ｈ｝測定及び｛＋４５，−４５｝測定のいずれか一方を単位時間毎にランダムに選択して、入力された光子の偏波の判別を行う。光子検出手段１２１及び光子検出手段１２２はそれぞれ、偏波もつれ光源１０１及び偏波もつれ光源１０２からのアイドラ光子の偏波を判別する。光子検出手段１２３及び光子検出手段１２４はそれぞれ、補助ノードの出力ポート１４１及び出力ポート１４２からのシグナル光子の偏波を判別する。
【００２４】
偏波もつれ光源１０１及び偏波もつれ光源１０２を合わせた（４光子の）全体の状態を｜Φ〉とすると、式（２）のように表される。
【００２５】
【数２】
0004632203.tif 000003
【００２６】
なお、添え字ｓ１及びｉ１は偏波もつれ光源１０１からのシグナル及びアイドラ光子を表し、添え字ｓ２及びｉ２は偏波もつれ光源１０２からのシグナル及びアイドラ光子を表す。また、式（２）においては、正規化係数を省略している。
【００２７】
ここで、偏波もつれ光源１０１からの縦偏波のアイドラ光子がノード１１１へ入力される場合、｜Ｖ〉ｉ１は｜Ｖ〉１に変換され、偏波もつれ光源１０１からの縦偏波のシグナル光子がノード１１３へ入力される場合、｜Ｖ〉ｓ１は｜Ｖ〉３に変換され、偏波もつれ光源１０１からの横偏波のアイドラ光子がノード１１１へ入力される場合、｜Ｈ〉ｉ１は｜Ｈ〉１に変換され、偏波もつれ光源１０１からの横偏波のアイドラ光子がノード１１４へ入力される場合、｜Ｈ〉ｓ１は｜Ｈ〉４に変換されるものとする。同様に、偏波もつれ光源１０２からの縦偏波のアイドラ光子がノード１１２へ入力される場合、｜Ｖ〉ｉ２は｜Ｖ〉２に変換され、偏波もつれ光源１０２からの縦偏波のアイドラ光子がノード１１４へ入力される場合、｜Ｖ〉ｓ２は｜Ｖ〉４に変換され、偏波もつれ光源１０２からの横偏波のアイドラ光子がノード１１２へ入力される場合、｜Ｈ〉ｉ２は｜Ｈ〉２に変換され、偏波もつれ光源１０２からの縦偏波のアイドラ光子がノード１１３へ入力される場合、｜Ｈ〉ｓ２は｜Ｖ〉３に変換されるものとする。
【００２８】
これらの変換を用いると、式（２）は、式（３）に書き直すことができる。なお、式（３）においては、正規化係数を省略している。
【００２９】
【数３】
0004632203.tif 000004
【００３０】
ここで、補助ノード１３０においてすべてのＨＷＰ（１５１，１５２，１５３，１５４）の結晶軸が垂直方向に対して０度に設定され、すべてのノードの光子検出手段（１２１，１２２，１２３，１２４）において｛Ｖ，Ｈ｝測定が行われる場合を考える。このとき、ＨＷＰ１５１，１５２に入力された光子は、Ｖ偏波はＶ偏波のまま、Ｈ偏波はＨ偏波のまま出力される。この状況で、ノード１１１乃至１１４において同時に光子の受信が観測されたとする。このとき、ノード１１３で検出された光子は、（１）偏波もつれ光源１０１からのＶ偏波光子、（２）偏波もつれ光源１０２からのＨ偏波光子のいずれかである。もし（１）であった場合、偏波もつれ光子対の性質により、ノード１１１で受信されるのは偏波もつれ光源１０１からのＶ偏波光子であり、ノード１１２及びノード１１４で観測されるのは、偏波もつれ光源１０２からのＶ偏波光子であることになる。一方、もし（２）であった場合、ノード１１２で受信されるのは偏波もつれ光源１０２からのＨ偏波光子であり、ノード１１１及びノード１１４で観測されるのは偏波もつれ光源１０１からのＨ偏波光子である。
【００３１】
式（３）の第３項はノード１１４へ光子が入力されない場合を、式（３）の第４項はノード１１３へ光子が入力されない場合を表すので、以上を総合すると、系全体の状態は以下の式（４）ように表される。
【００３２】
【数４】
0004632203.tif 000005
【００３３】
ここで、添え字１乃至４はノード１１１乃至１１４において観測される量子状態であることを表す。
【００３４】
次に、補助ノード１３０において、ＨＷＰ１５１及びＨＷＰ１５２が入力された光子の偏波を＋４５度回転させるように設定され、ＨＷＰ１５３及びＨＷＰ４が入力された光子の偏波を＋４５度回転させるように設定され、かつ、すべてのノードの光子検出手段において｛＋４５，−４５｝測定が行われる場合を考える。この状況で、ノード１１１乃至１１４において同時に光子の受信が観測されたとする。このとき検出された光子は、（１）偏波もつれ光源１０１からの＋４５度偏波光子、（２）偏波もつれ光源１０２からの−４５度偏波光子のいずれかである。もし（１）であった場合、偏波もつれ光子対の性質より、ノード１１１で受信されるのは偏波もつれ光源１０１からの＋４５度偏波光子であり、ノード１０２及びノード１０４で観測されるのは、偏波もつれ光源１０２からの＋４５度偏波光子であることになる。一方、もし（２）であった場合、ノード１１２で受信されるのは偏波もつれ光源１０２からの−４５度偏波光子であり、ノード１１１及びノード１１４で観測されるのは偏波もつれ光源１０１からの−４５度偏波光子である。
【００３５】
ここで、ＨＷＰ１５１及びＨＷＰ１５２へ入力された｜Ｈ〉は｜＋４５〉に変換され、｜Ｖ〉は｜−４５〉に変換されるものとし、また、ＨＷＰ１５３及びＨＷＰ１５４へ入力された｜Ｈ〉は｜−４５〉に変換され、｜Ｖ〉は｜＋４５〉に変換されるものとする。また、｜＋４５〉は｜Ｖ〉＋｜Ｈ〉、｜−４５〉は−｜Ｖ〉＋｜Ｈ〉と表すものとする。
【００３６】
上記変換に従えば、ノード１１３及びノード１１４へ入力される光子の状態は、｜Ｖ〉ｓ１は−｜−４５〉３＋｜＋４５〉４に変換され、｜Ｈ〉ｓ１は｜−４５〉３＋｜＋４５〉４に変換され、｜Ｖ〉ｓ２は−｜−４５〉４＋｜＋４５〉３に変換され、｜Ｈ〉ｓ２は｜−４５〉４＋｜＋４５〉３に変換される。また、｜Ｖ〉ｉ１は｜＋４５〉１−｜−４５〉１と、｜Ｈ〉ｉ１は｜＋４５〉１＋｜−４５〉１と、｜Ｖ〉ｉ２は｜＋４５〉２−｜−４５〉２と、｜Ｈ〉ｉ２は｜＋４５〉２＋｜−４５〉２と表される。
｜−４５〉ｓ２に変換され、更に｜−４５〉ｓ２は｜＋４５〉３＋｜−４５〉４と、−｜Ｖ〉ｓ１＋｜Ｈ〉ｓ１と表すことができる。
【００３７】
これらを用いると式（２）は、式（５）のように書き換えることができる。なお、式（５）においては、正規化係数を省略している。
【００３８】
【数５】
0004632203.tif 000006
【００３９】
式（５）の第３項はノード１１３へ光子が入力されない場合を、式（５）の第４項はノード１１４へ光子が入力されない場合を表すので、以上を総合すると、系全体の状態は式（６）のように表される。
【００４０】
【数６】
0004632203.tif 000007
【００４１】
ここで、｜＋４５〉は＋４５度偏波の光子の量子状態を、｜−４５〉は−４５度偏波の光子  の量子状態を表す。
【００４２】
このように、補助ノード１３０の各ＨＷＰの角度設定と、各ノードの偏波判別法が一致した場合、各ノードの測定結果には式（４），（６）で表される相関がある。すなわち、例えば補助ノード１３０の各ＨＷＰの結晶軸が０度に設定され、すべてのノード１１１乃至１１４において｛Ｖ，Ｈ｝測定が行われている場合、ノード１１１乃至１１４の測定結果はすべてＶまたはすべてＨとなる。また、例えば補助ノード１３０の各ＨＷＰの結晶軸が０度に設定され、ノード１１１とノード１１２において｛Ｖ，Ｈ｝測定が行われ、ノード１１３及びノード１１４において｛＋４５，−４５｝測定が行われた場合、ノード１１１とノード１１２の測定結果には相関があり、ノード１１３とノード１１４の測定結果には相関はない。これらの性質を利用して、以下の手順にしたがって、各ノード間で暗号鍵を生成することが出来る。
【００４３】
１．補助ノード１３０は、ある単位時間毎に、ＨＷＰ１５１，１５２，１５３，及び１５４の結晶軸の角度の組み合わせを（０度，０度，０度，０度）及び（２２．５度，２２．５度，２２．５度，２２．５度）のいずれか一方からランダムに選択し、選択した角度に設定する。
【００４４】
２．各ノード（１１１，１１２，１１３，１１４）は、｛Ｖ，Ｈ｝測定及び｛＋４５，−４５｝測定のいずれか一方を上記単位時間毎にランダムに選択して、入力される光子の偏波の判別を行う。また、各ノードは光子を受信（測定）した時刻及び測定した光子の偏波をデータとして記録しておく。
【００４５】
３．各ノードは、光子を受信した時刻及びその時刻において用いた測定の種別を補助ノード１３０及びすべてのノードに公開する。
【００４６】
４．補助ノードは、２個以上のノードが同時に光子を受信した時刻及びその時刻における各ＨＷＰの結晶軸の角度をすべてのノードに公開する。尚、上記３．及び４．における公開は既知の通信手段を用いて実施することができる。
【００４７】
５．各ノードは、２個以上のノードが同時に光子を検出し、かつ用いた偏波判別種別と、補助ノードの各ＨＷＰの結晶軸の角度の組み合わせが一致している場合のデータのみを残し、他のデータを捨てる。すなわち、各ノードは、上記２．において記録したデータのうち、光子の受信時刻と補助ノードによって公開された時刻が一致しないデータを削除する。さらに、各ノードは、各時刻において、（１）補助ノードのＨＷＰ１５１乃至ＨＷＰ１５４の結晶軸の角度が０度に設定され、かつ光子検出手段によって｛Ｖ，Ｈ｝測定が選択された場合、（２）補助ノードのＨＷＰ１５１乃至ＨＷＰ１５４の結晶軸の角度が４５度に設定され、かつ光子検出手段によって｛＋４５，−４５｝測定が選択された場合のデータを残して他のデータを削除する。
【００４８】
６．各ノードは、残ったデータを用いて鍵を生成する。例えば、｛Ｖ，Ｈ｝測定を用いて測定したＶ偏波に“０”ビット、Ｈ偏波に“１”ビット、｛＋４５，−４５｝測定を用いて測定した＋４５度偏波に“０”ビット、−４５度偏波に“１”ビットを割り当てる。
【００４９】
図２は、上記２．において各ノードが記録したデータと、上記３．において公開するデータの一部を示す。例えば、ノード１１１は、記録したデータのうち、時刻ｔ０，ｔ２乃至ｔ８及び時刻ｔ０，ｔ２乃至ｔ８における測定種別を、補助ノード及びすべてのノードに公開することを示す。
【００５０】
図３は、上記４．において補助ノード１３０が各ノードに公開する時刻及びその時刻における各ＨＷＰの結晶軸の角度を示す。例えば、補助ノードは、時刻ｔ０，ｔ２乃至ｔ５，ｔ７，及びｔ８、並びに時刻ｔ０，ｔ３，ｔ５，ｔ７，ｔ８における各ＨＷＰの結晶軸の角度を各ノードに公開することを示す。
【００５１】
図４は、上記５．及び６．において各ノードに残されるデータ及びそのデータに割り当てられるビットを示す。ノード１１１は時刻ｔ０，ｔ７，及びｔ８に測定した光子に割り当てたビット“１０１”を、ノード１１２，ノード１１３，及びノード１１４との間で共有する暗号鍵とする。また、ノード１１２は、時刻ｔ３に測定した光子に割り当てたビット“０”をノード１１４との間で共有する暗号鍵とする。
【００５２】
上記により、ノード１〜４の間の任意の２ノード、３ノード、及び全てのノード間で異なる暗号鍵を共有することが可能となる。
【００５３】
なお、本実施形態では、ＨＷＰ１５１，１５２，１５３，及び１５４の結晶軸の角度の組み合わせが、（０度，０度，０度，０度）及び（２２．５度，２２．５度，２２．５度，２２．５度）から選択される場合を説明したが、（０度，０度，０度，０度）及び（−２２．５度，−２２．５度，−２２．５度，−２２．５度）から選択されるようにしても良い。
【００５４】
（第２の実施形態）
図５に、本発明にかかる量子鍵配信システムの第２の実施形態を示す。本実施形態の量子鍵配信システム２００は、第１の実施形態における補助ノード１３０とノード１１３とを一体としたノード２１３を備える点で第１の実施形態の量子鍵配信システム１００と異なる。
【００５５】
量子鍵配信システム２００は、偏波もつれ光源１０１及び偏波もつれ光源１０２と、偏波もつれ光源１０１から出力されたアイドラ光子が入力されるノード１１１と、偏波もつれ光源１０２から出力されたアイドラ光子が入力されるノード１１２と、偏波もつれ光源１０１から出力されたシグナル光子及び偏波もつれ光源１０２から出力されたシグナル光子が、補助ノード１３０を介して入力されるノード２１３と、偏波もつれ光源１０１から出力されたシグナル光子及び偏波もつれ光源１０２から出力されたシグナル光子が、ノード２１３を介して入力される１１４とを備える。
【００５６】
ノード２１３は、偏波もつれ光源１０１から出力されたシグナル光子が入力される入力ポート１３１と、偏波もつれ光源１０２から出力されたシグナル光子が入力される入力ポート１３２と、入力ポート１３１から入力されたシグナル光子の偏波を回転させるＨＷＰ１５１と、入力ポート１３２から入力されたシグナル光子の偏波を回転させるＨＷＰ１５２と、ポート１６１，１６２，１６３，１６４を有し、ポート１６１から入力されたＨＷＰ１５１を透過した垂直偏波のシグナル光及びポート１６２から入力されたＨＷＰ１５２を透過した水平偏波のシグナル光子をポート１６３へ分岐結合させ、ポート１６１から入力されたＨＷＰ１５１を透過した水平偏波のシグナル光子及びポート１６２から入力されたＨＷＰ１５２を透過した垂直偏波のシグナル光子をポート１６４へ分岐結合させるＰＢＳ１６０と、ＰＢＳ１６０のポート１６３から出力されたシグナル光子の偏波を回転させるＨＷＰ１５３と、ＰＢＳ１６０のポート１６４から出力されたシグナル光子の偏波を回転させるＨＷＰ１５４と、ＨＷＰ１５３を透過したシグナル光子が入力される光子検出手段１２３と、ＨＷＰ１５４を透過したシグナル光子が出力される出力ポート１４２とを備える。出力ポート１４２から出力されたシグナル光子は１１４へ入力される。
【００５７】
ノード２１３は、各ＨＷＰの結晶軸を単位時間毎にランダムに、０度，及び２２．５度のいずれか、または０度，及び−２２．５度のいずれかに設定する。またノード２１３は、｛Ｖ，Ｈ｝測定及び｛＋４５，−４５｝測定のいずれかを選択し、自らに割り当てられた光子を受信する。これにより、第１の実施形態の１．乃至６．の手順と同様の手順で、ノード１１１，ノード１１２，ノード１１４，及びノード２１３の任意の２ノード、３ノード、及び全てのノード間で異なる暗号鍵を共有することが可能となる。ただし、ノード２１３が含まれる組み合わせが圧倒的に多くなる。
【００５８】
（第３実施形態）
図６に、本発明にかかる量子鍵配信システムの第３の実施形態を示す。本実施形態の量子鍵配信システム３００は、３つのノードのうちの２つまたは３つのノード間で共通の暗号鍵を共有するものである。
【００５９】
量子鍵配信システム３００は、偏波もつれ光源１０１及び偏波もつれ光源１０２と、偏波もつれ光源１０１から出力されたアイドラ光子が入力されるノード１１１と、偏波もつれ光源１０２から出力されたアイドラ光子が入力されるノード１１２と、偏波もつれ光源１０１から出力されたシグナル光子及び偏波もつれ光源１０２から出力されたシグナル光子が入力されるノード３１３とを備える。
【００６０】
ノード３１３は、偏波もつれ光源１０１から出力されたシグナル光子が入力される入力ポート１３１と、偏波もつれ光源１０２から出力されたシグナル光子が入力される入力ポート１３２と、入力ポート１３１から入力されたシグナル光子の偏波を回転させるＨＷＰ１５１と、入力ポート１３２から入力されたシグナル光子の偏波を回転させるＨＷＰ１５２と、ポート１６１，１６２，１６３，１６４を有し、ポート１６１から入力されたＨＷＰ１５１を透過した垂直偏波のシグナル光及びポート１６２から入力されたＨＷＰ１５２を透過した水平偏波のシグナル光子をポート１６３へ分岐結合させ、ポート１６１から入力されたＨＷＰ１５１を透過した水平偏波のシグナル光子及びポート１６２から入力されたＨＷＰ１５２を透過した垂直偏波のシグナル光子をポート１６４へ分岐結合させるＰＢＳ１６０と、ＰＢＳ１６０のポート１６３から出力されたシグナル光子が入力される光子検出器３２３と、ＰＢＳ１６０のポート１６４から出力されたシグナル光子が入力される光子検出手段１２４とを備える。
【００６１】
偏波もつれ光源１０１及び偏波もつれ光源１０２は上記式（１）に示す偏波もつれ光子対を出力する。偏波もつれ光源１０１からのアイドラ光子はノード１１１へ、偏波もつれ光源１０２からのアイドラ光子はノード１１２へ入力される。偏波もつれ光源１０１及び偏波もつれ光源１０２から出力されたシグナル光子は、ノード３１３へ、入力ポート１３１及び１３２からそれぞれ入力される。
【００６２】
ノード３１３の入力ポート１３１からのシグナル光子は、ＨＰＷ１５１を透過した後、ＰＢＳ１６０のポート１６１から入力される。同様に、入力ポート１３２からのシグナル光子は、ＨＷＰ１２２を透過した後、ＰＢＳ１６０のポート１６２から入力される。ＰＢＳ１６０のポート１６３から出力された光子は、光子検出器３２３により検出される。ＰＢＳ１６０のポート１６４から出力された光子は、偏波判別機能を持つ光子検出手段１２４により検出される。一方ノード１１１及びノード２に入力された光子は、それぞれ偏波判別機能を持つ光子検出手段１２１及び光子検出手段１２２により検出される。
【００６３】
上記の構成においては、第１の実施形態の場合と同様に、ノード３におけるＨＷＰの角度及び偏波判別法と、他のノードにおける偏波判別法の組み合わせが一致した場合にのみ各ノードの結果に相関が生じる。これにより、以下の手順にしたがって各ノード間で暗号鍵を生成することが出来る。
【００６４】
１．ノード３１３は、ある単位時間毎に、ＨＷＰ１５１及びＨＷＰ１５２の結晶軸の角度の組み合わせを（０度，０度）及び（２２．５度，２２．５度）のいずれか一方からランダムに選択し、選択した角度に設定する。
【００６５】
２．各ノードは、（１１１，１１２，３１３）は、｛Ｖ，Ｈ｝測定及び｛＋４５，−４５｝測定のいずれか一方を上記単位時間毎にランダムに選択して、入力される光子の偏波の判別を行う。また、各ノードは光子を受信（測定）した時刻及び測定した光子の偏波をデータとして記録しておく。
【００６６】
３．各ノードは、光子を受信した時刻及びその時刻において用いた測定の種別をすべてのノードに公開する。
【００６７】
４．ノード３１３は、２個以上のノードが同時に光子を受信した時刻及びその時刻における各ＨＷＰの結晶軸の角度をすべてのノードに公開する。
【００６８】
５．各ノードは、２個以上のノードが同時に光子を検出し、かつ用いた偏波判別種別と、ノード３１３の各ＨＷＰ角度の組み合わせが一致している場合のデータのみを残し、他のデータを捨てる。すなわち、各ノードは、上記２．において記録したデータのうち、光子の受信時刻とノード３１３によって公開された時刻が一致しないデータを削除する。さらに、各ノードは、各時刻において、（１）ノード３１３のＨＷＰ１５１及びＨＷＰ１５２の結晶軸の角度が０度に設定され、かつ光子検出手段によって｛Ｖ，Ｈ｝測定が選択された場合、（２）ノード３１３のＨＷＰ１５１及びＨＷＰ１５２の結晶軸の角度が４５度に設定され、かつ光子検出手段によって｛＋４５，−４５｝測定が選択された場合のデータを残して他のデータを削除する。
【００６９】
６．各ノードは、残ったデータを用いて鍵を生成する。例えば、｛Ｖ，Ｈ｝測定を用いて測定したＶ偏波に“０”ビット、Ｈ偏波に“１”ビット、｛＋４５，−４５｝測定を用いて測定した＋４５度偏波に“０”ビット、−４５度偏波に“１”ビットを割り当てる。
【００７０】
上記により、ノード１１１、ノード１１２、及びノード３１３の間の任意の２ノード及び３ノード間で異なる暗号鍵を共有することが可能となる。
【００７１】
なお、本実施形態では、ＨＷＰ１５１及びＨＷＰ１５２の結晶軸の角度の組み合わせが、（０度，０度）及び（２２．５度，２２．５度）から選択される場合を説明したが、（０度，０度）及び（−２２．５度，−２２．５度）から選択されるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる量子鍵配信システムを示す構成図である。
【図２】各ノードが記録したデータと、公開するデータの一部を示す図である。
【図３】補助ノードが各ノードに公開する時刻及びその時刻における各ＨＷＰの結晶軸の角度を示す図である。
【図４】各ノードに残されるデータ及びそのデータに割り当てられるビットを示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態にかかる量子鍵配信システムを示す構成図である。
【図６】本発明の第３の実施形態にかかる量子鍵配信システムを示す構成図である。
【符号の説明】
【００７３】
１００，２００，３００  量子鍵配信システム
１０１，１０２  偏波もつれ光源
１１１，１１２，１１３  ，１１４，２１３，３１３  ノード
１２１，１２２，１２３，１２４  偏波判別機能付き光検出器
１３０  補助ノード
１３１，１３２  入力ポート
１３３，１３４  出力ポート
１５１，１５２，１５３，１５４  ２分の１波長板（ＨＷＰ）
１６０  偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１６１，１６２，１６３，１６４  ポート
３２３  光子検出器
【図１】
0004632203.tif 000008
【図２】
0004632203.tif 000009
【図３】
0004632203.tif 000010
【図４】
0004632203.tif 000011
【図５】
0004632203.tif 000012
【図６】
0004632203.tif 000013