(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子暗号を用いた通信システムであり、
量子チャンネル（３）に接続された加入者局（１．ｉ，２．ｉ）および、量子鍵を発生するための量子チャンネル（３）といくつかの相互接続されたスイッチ局（１，２）と連係している量子暗号装置（１０，１１）を備え、
スイッチ局（１，２）は、量子鍵の交換を行うことなく、スイッチ局（１，２）間で同意した暗号を用い、公衆ラインを通じて互いに通信し、
そして、加入者局（１．ｉ，２．ｉ）は、それぞれの一時的な量子鍵を発生するために、量子チャンネル（３）を通じてスイッチ局（１，２）に接続され、そして更に、スイッチ局（１，２）を通じて発生された量子鍵を用いて、公衆ライン（４）を通じて通信するように適応される通信システム。
【請求項２】
スイッチ局（１、２）は、量子暗号装置として光子（１０）のソースを含み、また、同時に生成され同じ量子情報を含む複数の光子が用いられる場合に光子検出器（１１）を含む請求項１記載の通信システム。
【請求項３】
加入者局（１．ｉ、２．ｉ）は単に光子検出装置（１１’）を含む請求項２記載の通信システム。
【請求項４】
スイッチ局（１、２、６’、７’）は、二地点間リンクの形態で少なくとも部分的に相互接続される請求項１〜３のいずれかに記載の通信システム。
【請求項５】
スイッチ局（１、２、６−９）は、少なくとも部分的に階層的に相互接続される請求項１〜３のいずれかに記載の通信システム。
【請求項６】
それぞれのスイッチ局（１，２）を通じて通信要求が送信された後、所望の通信に含まれる加入者局（１．１、２．１）は、それらに関連するスイッチ局（１、２）で個別のキービットシーケンスを量子チャンネル（３）を通じて発生させる請求項１〜５のいずれかに記載の通信システム。
【請求項７】
コールされた加入者局（２．１）に関連するスイッチ局（２）は、量子チャンネル（３）で発生されたキービットシーケンスから第３のキービットシーケンスを発生させ、そして、この第３のキービットシーケンスを、コールされた加入者局（２．１）に送信し、この加入者局は、関連するスイッチ局と共に発生した自身に既知のキービットシーケンスを用い、この第３のキービットシーケンスから、コールしている加入者局（１．１）の側で発生されたキービットシーケンスを発生させ、加入者局（１．１，２．１）間の通信に対する共通キーとして最終的に使用する請求項６に記載の通信システム。
【請求項８】
通信を終える時、各通信に対して発生された量子鍵は廃棄される請求項１〜７のいずれかに記載の通信システム。
【請求項９】
発生された量子鍵は、干渉から解放されるためにチェックされ、そして、盗聴に関連した干渉の結果が検出された時、確立された通信システムが遮断され、そして、鍵が廃棄される請求項１〜８のいずれかに記載の通信システム。
【請求項１０】
加入者局（１．１、２．１）間の通信確立の前に、加入者局（１．１、２．１）からそれぞれのスイッチ局（１，２）に送信されたデータが、それぞれのスイッチ局でチェックされる請求項１〜９のいずれかに記載の通信システム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、量子暗号を用いた通信システムに関し、量子チャンネルおよび、量子キー（量子鍵）を発生させるために量子チャンネルに関係する量子暗号装置に接続された加入者局を備える。
【０００２】
量子暗号は、通信パートナー間で、多少の妨害の安全キーを発生させるために量子物理的な効果を用いる。例えば、N.Gisin、G.Ribordy、W.ティッテル、H.Zbindenの「量子暗号」(Reviews of Modern Physics, Vol. 74, Jan. 2002, pp. 145-195,) または、Karlsson その他による「単一光子送信からの量子暗号、新規な量子情報プロトコルへの主要な抽出方法」(Evolutionary Computation、1999; CEC99; 1999年の会期、Vol.3、6-9、1999年7月、2247-2254ppの議事)がある。詳しくは、量子暗号の場合では、２人のパートナー間で量子情報を含む光子を交換する。２人のパートナーは、例えば、偏光面のような、光子のある特性を測定し、同じ測定結果を得て、そして、同一の量子キーを組み立てることができる。そうするには、測定の一部は、例えば正確を指示時間のような結果となり、公衆のチャンネルで交換される。この様に、２人のパートナーは、個々の測定値を互いに関連づけることができる。
【０００３】
原則として、これのための２つの方法があり、すなわち、１つは単一光子を用い、他の１つはインターレース光子を用いる。単一の光子の方法の場合には、パートナーは、単一の光子のシーケンスを発生させ、それは、ランダムに変化する偏光面を有する偏光子を通して送出される。偏光子の設定はもう片方のパートナーに伝えられる。また、次に、光子がこの他方のパートナーにより登録されるなら、その偏光面は明確に決定される。しかしながら、この方法では、同じ偏向の数個の光子の場合に第三者が光子を妨害することができるので、事実上、それぞれ１個の単一の光子だけが発生することを確実にしなければならない。
【０００４】
インターレースの光子の方法では、同じ量子情報を含む２個の光子が特殊技術により、同時に生成される。 ２人のパートナーが、同時に、同じ測定結果を受けて、その結果、それぞれ自身に対して同じ量子を構成することができるように、１つの光子は各々に２人のパートナーの一人に送られる。
【０００５】
量子キーを発生させるとき、例えば、グラスファイバー接続または２つの望遠鏡などの直接の視覚による通信によって光子を交換することができる。今までのところ使用されているセットアップは、通信目的のために、説明した量子暗号を採用するこれらのグラスファイバー接続か直接の視覚による接続を採用していた。そのようにするには、光子の送信を可能にするために、例えば、比較的短い距離、ほんの数キロメートルにしか接続をセットアップできず、その結果、今までのところの量子暗号の使用は、短距離だけの局の組み込みに制限されていたことは不都合である。そのうえ、また、グラスファイバー接続か、フリースペース(照準線)接続のためのデバイスも比較的高価であり、そしてコード化された通信のためには、既存の特定のデバイスで、周知の安価の接続を使用することができるのは望ましい、
【０００６】
したがって、この発明の目的は、合理的な方法で、上述した安全な量子キーを発生でき、かつ、利用することができ、一方、後で、大きい送信範囲は可能であり、そのうえ、量子暗号によって達成されたセキュリティに否定的に影響することなく、安価の公衆ラインを通信に使用することができる技術を提供することである。そのようにする際、通信は、ある暗号のアルゴリズムに拘束されず、そして、いつでも既存のシステムにおいて、それぞれ暗号のアルゴリズムを補うか、または置き換えるのが可能である。
【０００７】
この発明に基づく、および初めに定義されたタイプの通信システムは、それぞれの一時的な量子キーを発生させるための量子チャンネルを通じて加入者局が接続される、いくつかの相互接続されたスイッチ局が提供されることに特徴付けられる。
【０００８】
この発明に基づく技術では、２人の通信パートナーがそれぞれ直接に安全なキーを交換するのは必要はなく、むしろ１つの量子キーの各々が通信パートナー(すなわち、加入者局)とスイッチ局との間“信用の場所”で発生される。 その結果、各スイッチ局は、関連した加入者局が存在する関連ゾーンを持つことができ、その加入者局は、比較的短い量子チャンネル(例えば、前述したファイバーグラスまたは望遠鏡を備えたフリースペース接続)を通じてスイッチ局に接続される。次に、スイッチ局は、同意された暗号化などのように、いずれかの方法で雨垂れに対して安全になるように設計された従来のチャンネルで相互接続される。いまや、加入者局、または通信パートナーのそれぞれが安全なチャンネルでキーを直接に交換する必要性が無いという事実により、量子暗号によって確実にされた高度の程度のセキュリティの状態で、互いに非常に遠く離れた加入者局は、公衆の接続シーケンスを使用して互いに通信できる。そのような通信のために、実質的に、３つのステップが必要であり、すなわち、第１に、通信を確立するための最初の加入者局からの要求; 次に、第２に、量子キーを発生させる安全な通信のセットアップ; 第３に、以前に発生した量子キーを用いて加入者局の実際の通信である。
【０００９】
また、この発明に基づく技術では、加入者局は比較的簡単な量子暗号装置を備えることができるが、複雑な装置をスイッチ局に集結できるのも特に有利である。従って、インターレースの光子が用いられる場合、スイッチ局が、光子検出器としてだけでなく、量子暗号装置として光子のソースを含むなら有利である。他方では、加入者局は単に光子探知装置を含めばよい。したがって、光子ソースは、スイッチ局においてのみ存在し、そして、加入者局では、光子を検出するための技術的な手段で十分である。
【００１０】
上述したように、常に別々の量子キーは、加入者局(コミュニケーションパートナー)とそれらに関連するスイッチ局の間で発生される。両方の加入者局が、この発明による技術でもって、それらの量子チャンネルを通じて１つに、かつ、同じスイッチ局に接続されたなら、例えば、インターレースの光子を用いている時に、以下のことが要求されなかったとしても、２個の量子キーがそれにもかかわらず、互いに独立して発生されるであろう。この様に、エラー修正に対して、常に同じプロトコルと同じ方法を用いることができる。
【００１１】
スイッチ局は、二地点間リンクの形態で、または階層構造の形態で少なくとも部分的に、周知のスイッチ技術の方法で相互接続することができる。
【００１２】
この発明に従った技術で、量子キーを発生させる過程で量子チャンネルのみが用いられることを必要とし、そして、量子キーが発生するとすぐに、通信パートナーは従来の方法で互いに通信できることは、有利である。従って、スイッチ局を通じて発生された量子キーを用いて、加入者局が公衆ラインを介して通信するなら、適当である。この様に、極めて高価なような量子ラインまたは量子チャンネルはそれぞれ、フリーに保たれ、量子キー生成のみに用いられ、そして、量子キーを用いたその後の通信のために、電話ライン、無線ラインまたは同種のリンクのような、通常のラインまたはチャンネルを用いることができる。
【００１３】
望ましくは、以前に言及したように、各々の加入者局とスイッチ局との間で量子キーが発生されるようにするのが望ましい。この発明による通信システムの好ましい実施例は、通信の要求がそれぞれのスイッチ局を通って送信された後に、それらの関連したスイッチ局で量子チャンネルを通じて、第１または第２のビットシーケンスを発生するために、必要な通信に関係する加入者局を備える。ここで、コールされた加入者局に関係するスイッチ局が、量子チャンネルで発生させたキービットシーケンスから３番目のキービットシーケンスを発生させ、この第３のキービットシーケンスをコールされた加入者局に送信し、この加入者局は、それによって発生されたそれの既知の第２のキービットシーケンスを用いて、関係したスイッチ局でもって、第３のキービットシーケンスから、第１のキービットシーケンスを、コールする加入者局の側で発生することが、さらに最適である。
【００１４】
セキュリティ理由のために、通信が終了した時に、この通信のために生成された量子キーが放棄されることが更に望ましい。
【００１５】
光子の特性を測定するとき、それぞれの光子に関する情報が破壊されるのが知られている。したがって、権限のない第三者が測定によって情報を傍受するなら、その結果、認可された通信パートナーが正確な情報を受け取ることが防止される。したがって、２人の認可された通信パートナーの間の測定の一部分を比較することによって、非認可の第三者が妨害しているかどうかが確実に決定することができる。したがって、この発明によると、発生する量子キーが、それの干渉から解放されているかがチェックされるなら、そして、検出された、盗聴に関連している可能な干渉の結果なら、確立した通信は遮断され、そして、キーは廃棄される。
【００１６】
既に言及したように、静止セットアップのスイッチ局は、同意された暗号化を用いて、従来の、特に公衆ラインを通じて、互いに通信することができる。
【００１７】
最終的に、承認をチェックするために対してもセキュリティの理由のために、加入者局間の通信の確立に先立ち、後者からそれぞれのスイッチ局へ送信されるデータおよびそれらに対する特定(例えば承認データ)は、それぞれのスイッチ局によりチェックされる。
【００１８】
以下では、この発明は、限定した特定の好ましい実施例および添付した図面により、さらに詳細に説明する。
【００１９】
図１において、固定スイッチ局1、2を含む通信システムが図式的に示され、１つ以上の加入者局が各スイッチ局1、2に接続され、例えば、量子チャンネル3を通じて、加入者局 1.1, 1.2, .., 1.i .., 1.mがスイッチ局１に接続され、そして、加入者局 2.1, 2.2., .., 2.i, .., 2.nがスイッチ局２に接続される。(「量子チャンネル」とは、光子を交換するための量子暗号に必要であるラインと公衆ラインの組み合わせも理解されるべきである。さらに、加入者局 1.i、2.iは 公衆ライン4を通して、相互接続される。スイッチ局1、2は、図２、３により以下詳しく説明するように、種々の方法で相互接続されてもよい。また、単に１つの固定加入者ステーションが、量子チャンネルか量子ライン3を通してスイッチ局1、2に接続され、そして、それぞれ接続された加入者局は、量子チャンネル3を通じて、それぞれスイッチ局1,2に関連する、ノードゾーンか「信用ゾーン」1'または2'をそれぞれ形成し、それぞれの安全な通信に必要である量子キーは、それぞれの加入者局と関連するスイッチ局により共通に発生され、そして、この量子キーを用いるその後の通信は公衆ライン4を通じて行われることも考えられる。したがって、スイッチ局1、2は、加入者局1.i、2.iと共に、安全な量子キーを発生させ、そして、両方の通信側で、１つで同じキーの存在を確実にするために、つまり、両方の加入者局で互いに通信に従事するための機能を持つ。スイッチ局1、2は、公衆ライン、専用ラインまたは同様なチャンネル5を通じて相互接続される。但し、スイッチ局1,2間の通信に対して暗号化が施され、この側からも安全なキー生成の間、情報交換をする。したがって、スイッチ局1、2は「信用のポイント」を形成し、アーキテクチャーに互いに依存して通信するスイッチ局1、2は、キーを交換しなければならない。
【００２０】
スイッチ局1、2を備えるネットワークのセットアップは、従来の方法で異なって提供でき、２つの可能性を図２、３に例として示す。図２では、階層的なモデルが示されており、２つのスイッチ局1、2(図１も参照)の間の接続は、スイッチ局6、7、8、9を通じて、初めの上り、その後の下りにて、階層構造で作用する。
【００２１】
図３によると、そこに示されたそれぞれのスイッチ局1、2、6'は、直接互いに通信することができ、これはいわゆる二地点間モデルである。 しかしながら、スイッチ局1、2の間の接続の具体的な方法には、量子暗号を用いたこの通信システムの機能に対する更なる関連性を用いないものがある。スイッチ局1,2のような、加入者局1.i、2.i 間の安全な量子暗号をグラフィック的にコード化した通信が含まれ、これらのスイッチ局1,2は安全な方法で相互接続される。その結果、通信に含まれる二つの加入者局の側でキーを発生させるために必要な、キービットシーケンス(いわゆるストリーム)は、技術環境のために必然的に短い、量子チャンネル3を通じて、かつ、スイッチ局1,2等を通じて、交換され、この観点から、加入者局1.i, 2.i も、任意に互いから大きく離れた箇所で備えられる。これで、量子暗号を採用している通信は、互いに極めて離れた、加入者局1.i, 2.i 間で可能となる。つまり、光ファイバラインにより、または、望遠鏡によって実現された目視接続のラインにより、要求されていた短い距離に制限されない。
【００２２】
要するに、より良い理解のため、公知の量子暗号の原則は、図４の方法により短く説明される。そこに使用された光子のある特性の特定の「偶発性」のために、量子暗号は非常に安全である。量子暗号では、量子情報を含む光子は、２人のパートナーの間で交換される。 両方のパートナーは、これらの光子(例えば、偏光面)のある特性を測定して、同じ測定結果を得て、したがって、同じキーを確立することができる。そのようにすることで、測定結果の部分(例えば、正確なポイントの時間)を公衆チャンネルを通じて交換する。これで、両方のパートナーは、まさに個々の測定値を関連づけることができる。
【００２３】
測定により、単一の光子に関する情報は無効にされ、したがって、いつも光子の１人の受取人だけが測定を実行することができる。量子物理学の法則の説明では、限定された特性をもつ光子は、人工的に生成できる。その結果、測定による情報を傍受する３番目のパートナーは、認可されたパートナーが正確な情報を受け取ることを妨げる。したがって、２人の認可された通信パートナーの間の測定の一部を比較することによって、第三者が妨害しているかどうかを明白に決定することができる。
【００２４】
原則として、２つの方法の間で区別される。
(1) 単一の光子：パートナーは、単一の光子のシーケンスを発生させ、彼は、光子を、偏光面が随意に変化できる偏光子を通じて送る。偏光子の設定は伝えられる。光子がもう片方のパートナーによって登録されるなら、その結果、偏光面は明確に決定される。しかしながら、同じ偏向による数個の光子の場合には、第三者が光子の１つを妨害することができるので、事実上、単一の光子だけが発生するのを確実にしなければならない。
(2) インターレースの光子(いわゆる"キュービット(qubits)：特別な方法で、同じ量子情報を含む２個の光子が同時に、生成される。各光子は、２人のパートナーの１人に送出し、その結果、パートナーは同時に、同じ測定結果を受け、従って同じキーを確立することができる。
【００２５】
古典的な量子暗号では、光子は、２人の通信パートナー間で交換されると思われる。これらの光子は、２人の通信パートナーの一方に直接配置されるか(単一装置方法)、または２人のパートナー間に配置される(インターレース光子)。
【００２６】
この発明の範囲内では、光子のソースが２人の通信パートナーの一方、つまり、スイッチ局、例えば 1 のみにインストールされることで十分である。したがって、スイッチ局１では、光子のソースおよび、キュービットを用いる場合、光子検出器も存在する。加入者局、例えば、1.iでは、その後、光子を検出するための単に技術的な前提条件が必要になる。
【００２７】
従って、図４では、スイッチ局1は一例として示され、そのスイッチ局は、既述したように、関連する加入者局、特に加入者局1.iに量子ライン3を通じて接続され、光子ペアのソース10はスイッチ局１に備えられる。内部の量子ライン3を通じて、この光子ペアのソース10はさらにスイッチ局1内の光子探知器11に接続される; 対応して設計された検出器11'は加入者局1.iに存在し、次に、つねに１つの検出器、例えば11は、要素12から18(この参照番号は双方の検出器11, 11'で共通)を参照して説明する。
【００２８】
検出器11は例えば、入力側にアクティブな偏光子12を備え、その偏光子12へは、制御ユニット13を通して適切な調整信号が供給される。そして、光子は偏向ビームデバイダー14に向かい、その後には二つのアバランシェダイオード 15, 16 によって、例えば時間インターバル解析器である解析ユニット17の出力部に接続される。そのうえ、別のコモン通信制御ユニットが回路モジュール18と共に備えられる。
【００２９】
光子ペアのソース10は、ポンプビームレーザを備えた従来の方法でセットアップされてもよく、そのポンプビームは、非線形のクリスタル、例えば、バリウムホウ酸塩クリスタル("BBO クリスタル")、インターレースの光子、またはこのレーザ照射により生成される“キュービット”に供給される。
【００３０】
言及されていたように、常に別々のキーが、スイッチ局、例えば、1と、関連した加入者局、例えば、1.1との間で生成され、このことは、たとえ、２つの加入者局(例えば、1.1と1.2)が、全く同じスイッチ局、例えば、1に関連づけられていたとしても、そうである。これは、インターレース光子の方法を使用するときは、必要でないであろう。しかし、また、２個のキーが互いに独立して発生するときはいつも、また、エラー修正のための同じプロトコルと同じ方法を使うことができる。
【００３１】
上述したようにこの通信システムでは、相互通信する加入者局が、安全なチャンネル(量子チャンネル)を通じて、予めキー交換する必要はもはやない。このことは、それぞれの関連するスイッチ局を含み、そのスイッチ局は、発生された量子キーと結合して、通信の間に高いセキュリティを確実にすることで、むしろ大いに作用するでしょう。通信が２つの加入者局、例えば、1.1と2.1(図６と同様に図１、および図５Ａおよび５Ｂのそれぞれを参照)の間で、または、２つの加入者局1.1と1.2(図７Ａ,７Ｂおよび８を参照)との間で通信が確立される前に、通信を確立するための要求がなされ、そこでは、１つの加入者局(例えば、1.1)がそれぞれの要求により、局面をトリガーし、続いて、安全通信が確立され、そして、発生された量子キーを用いて実際の通信が確立される。
【００３２】
以下では、安全な通信の確率だけでなく、加入者局(例えば、1.1)が別の加入者局、例えば、2.1または1.2との通信の確立を要求するとき、個々のステップをより詳細に説明する。個々のスイッチ局では、通信システムの概念に依存する接続に関する情報が保存されてもよいが、スイッチ局では、安全な通信が確立された後に、かつ、発生されたキーを用いて、加入者局間の直接の通信が実行される前に、すべての発生されたキービット(ストリーム)は削除されるべきである。発生されたキーを用いて起こった通信では、ブロックおよび現在の暗号の分野からのような様々なアルゴリズムは、当てにされるかもしれない。とにかく、加入者局でも、通信のために発生されたキーは、この通信が終わった後、直ちに廃棄されるべきであり、もう使用すべきではない。それはシステムに格納すべきではなく、そして、通信パートナーは別として、それをだれにとってもアクセスしやすくしてはいけない。
【００３３】
図５Ａでは、通信の確立を要求した時の手順を詳細に示すための図であり、これはリソース指向のセットアップに基づく。速度指向のセットアップ(以下に図５Ｂを通して説明される)と対比して、そのようなリソース指向のセットアップでは、すべての部分的なステップは、加入者局、例えば1.1を「コール」することにより、始動される。そのため、 より多くの通信ステップが速度指向のセットアップで実行されなければならない。しかし、通信に対する要望の送信後に、パートナー、つまり、コールされた加入者局、例えば、2.1の応答に反応し、そして、安全な通信の資源集約的なセットアップを単に開始させることは可能である。
【００３４】
記述を簡素化するために、加入者局は以下に単に「加入者」と呼び、そして、要求を発する加入者局も、“開始者”または“加入者をコールするパーティ”と呼び、一方、コールされた加入者は“ターゲット局”と呼ぶことにする。
【００３５】
図５Ａによると、スイッチ局1に関連した加入者局1は、スイッチ局2に関連した加入者局2.1との通信を希望している。加入者局とスイッチ局の名称は、その一般性を制限しないことに理解されるべきである。
【００３６】
図５Ａおよびその後の図５Ｂから８において、垂直のブロックは一般に通信ステップ(図５Ａでは通信ステップ21から28)を示し、そして、個々の局 1.1, 1, 2, 2.1 間の水平の矢印は、データ送信(図５Ａではデータ31から38)を示す。図示した通信確立のための要求の過程では、ブロック21によるコールする加入者1.1は、最初、それに関連したスイッチ局1に要求を送信する。矢印31によるデータ送信は、希望のパートナー(ターゲット局2.1)のみならず、その承認を含む。ブロック22によると、スイッチ局1は、その後、開始者1.1から受け取ったデータ(認証、認可、課金情報などに関する)をチェックし、そして、そのチェックの結果が良の場合、コールされた加入者2.1の原因となったスイッチ局2へ要求を更に送信する。これは、以前に、図２および３または他のスイッチ局で説明したように、直接に実行される。矢印32によって送られたデータは、主に所望の加入者2.1を示すが、コールしている加入者1.1も示す。
【００３７】
そして、ブロック23により、スイッチ局2は、交信するために、それの関連するコールされた加入者2.1に要求し、矢印33に基づき、承認のための要求を送信し、その要求に対し、コールされた加入者2.1は、ブロック24に従って、およびそれのデータを矢印34に基づきスイッチ局2へ送信することにより、応答する。そして、ブロック25に従って、スイッチ局2は、コールされた加入者2.1のデータ(認証、許可、課金情報など)をチェックし、そして、チェックの結果が良なら、所望される通信についてのそれぞれの情報をコールされたて加入者2.1に送信する。図５Ａの要求の矢印35を参照。この情報は特にコールしている加入者1.1に関連するデータを含む。そして、ブロック26に従って、コールされた加入者2.1は要求を明確に確認し、そして、応答として、矢印36に従って、彼はこの確認(通信するための要求を含む)をスイッチ局2に戻す。このスイッチ局(ブロック27を参照)は次に、答えをスイッチ局1に送信し(矢印38も参照)、ブロック28に基づき、スイッチ局1は次に、この答えをコールしている局1.1に送信する。矢印38によるデータ送信も参照。
【００３８】
さて、適した安全な通信の確立は、通信の期間のために量子キーを発生させることによって、起こることができ、これは次に図６によってより詳細に説明する。しかし、この前に、そのケースは図５Ｂを通して説明されるであろう。そこでは、要求が通信の速度指向の確立のためにされる。
【００３９】
リソース指向のアプローチと対照して、通信するための要求に続く、速度指向の通信のセットアップの場合、ターゲット局2.1の答えは、直接に開始者1.1には返さないで、多くがむしろターゲット局2.1に戻され、要求に回答し、安全な通信の確立においてアクティブな役割をとり、ここで、要求される個々のステップの数を減少させることができ、そして、通信の確立を加速することができる。
【００４０】
図５Ｂによる関連した図では、図５Ａの手順に対応する通信ステップ21から25は同じ参照番号で記載され、また、同様に対応するデータ送信は、矢印31から35で示される。図５Ａに関して与えられた説明から見て、それぞれこれらのステップおよびデータ送信について議論する必要はない。図５Ａによる手順以外として、要求している加入者1.1のデータの通信後、図５Ｂの矢印35で示すデータ送信に基づき、コールされた加入者局2.1がブロック39による要求を確定的に確認し、そして、加入者1.1をコールする替わりに、加入者局2.1自身が、直接安全な通信のその後の確立においてアクティブな役割を引き受けることになる。
【００４１】
安全な通信のセットアップは、概略的に図６で示され、このセットアップは、前述した両方の変形(リソース指向の、および、速度指向の通信セットアップ)に対してそれぞれ真実である。
【００４２】
以前に説明したように、通信の確立のための要求は、図６で連続した矢印40によって図式的に例証される。
【００４３】
ブロック41から47は、再度、以下に詳細に説明される通信ステップを示し、矢印および二重の矢印48から52は、具体的なデータ送信(すなわち、特にキービットシーケンス(“ストリーム”)の送信)を示す。
【００４４】
詳細には、ブロック41により、コールしている加入者1.1は、通信の準備ができており、そして、スイッチ局1と共に、彼は、関連した量子ライン3を通じて第１のビットシーケンス48(ストリーム1)を発生する。スイッチ局1の側でキービットシーケンスの発生を示すブロック42も参照。第１のキービットシーケンス48は、既述したように、量子メカニズムに基づき発生される。
【００４５】
それとは独立して、二重の矢印49によるだけでなく、ブロック43と44ブロックによって、２番目のキービットシーケンス(いわゆるストリーム2)は、量子機構の基礎により、そこに備えられた量子ライン3を通じて、他のスイッチ局2と、コールされた加入者3.1の間で発生される。
【００４６】
ブロック45によると、第１のスイッチ局1は、スイッチ局1.2間で同意された方法によって、第１のキービットシーケンスをコード化し、コード化された形態のそれを、第２のスイッチ局2へ送信する。コード化された第１のキービットシーケンスのこの送信を示す、矢印50も参照。コード化された第１のビットシーケンスと２番目のキービットシーケンス(二重矢印49)から、ブロック46に従って、第２のスイッチ局2は次に第３のキービットシーケンス(ストリーム3)を発生し、それは、矢印51に従って、コールされた加入者2.1に送信される。彼に既知の受信された第３のビットシーケンス51および第２のキービットシーケンス(矢印49を参照)から、コールされた加入者2.1は、第１のキービットシーケンスを発生させ(図６の矢印48も参照)、そして矢印52によって、この第１のキービットシーケンスは、コールしている加入者1.1とのさらなる通信のために、キーとして、いわゆる「セッションキー」として使用される。
【００４７】
図７Ａと７Ｂは、両方の加入者局、つまり、コールしている加入者局1.1、コールされた加入者局1.2は、１つの同じスイッチ局1に関係する。再び、リソース指向のセットアップ(図７Ａ)および速度指向のセットアップ(図７Ｂ)の２つの基本的な可能性が言及されており、図８では、両方のケースに同様に適用できる安全な通信のセットアップが例証される。既述していたように、これらは、図５Ａ、５Ｂおよび６による図面の特別なケースであるので、対応する参照番号は、対応する通信のステップおよびデータ送信のために再度、図７Ａ、７Ｂおよび８で使用され、そして、彼らが互いに一致する限り、これらの通信ステップとデータ送信の繰り返しの記述は必要ではない。詳細に、図５Ａと図７Ａを比べるとき、図５Ａに基づく２つのスイッチ局1と2が、ちょうど１つのスイッチ局1に結合されるべきのごとく見え、データ送信32と37は省略され、そして、一方での通信ステップ22、23および、他方での通信ステップ27、28は一致する。スイッチ局1は、ブロック53つまりコールしている加入者1.1のデータ(認証、許可、アカウント情報など)をチェックし、そして、(図５Ａのブロック27, 28に対応する)ブロック54に基づき、コールされた加入者1.2に直接の通信を要求し、スイッチ局1は、コールされた加入者局1.2の一部に通信するために、確認および要求を受信した後、この答えを直接にコールされた加入者1.1へ送信する(矢印38を参照)。
【００４８】
さもなければ、既述したように、そのステップは図５Ａにものに対応し、その結果、更再度の説明は不要と考えられる。さらに、コールされた加入者1.2とスイッチ局1(図５Ａのスイッチ局2の代わり)の間に起こるという事実による、図７Ａのデータ送信は、矢印33'から36'(33から36の代わり)に記されており、また、対応して、チェックステップは25'(25の代わり)により記される。
【００４９】
同様に、上記は、図５Ｂによるものと比較したとき、図７Ｂによる図に適用される。しかしながら、図７Ａとは対照すると、結合した通信ステップ53(図５Ｂのステップ22、23に対応)が起こる。また、コールされた加入者(ブロック39を参照)側での通信接続のセットアップに関しては、図７Ａと比較すると、結合ステップ54が省略されている。
【００５０】
安全な通信のセットアップに対し、簡素化した結果の図を図８に示す。ここでは、図６に基づく２つのスイッチ局1、2は一致し、そして、一例として、スイッチ局1は、両方の加入者局1.1と1.2にサービスを提供する。そうする際には、図６に基づくステップ４２、４３は、結合したステップ５５に一致し、そのステップに基づき、スイッチ局1は通信が用意でき、そして、互いに独立して、両方の加入者局1.1および1.2は、矢印48および49'に基づき、量子キービットシーケンス(“ストリーム１”および“ストリーム２”)を発生する。それぞれデータ送信49、51およびステップ46の参照番号に伴うアポストロフィの手段により、ここでも、匹敵するデータ送信およびプロセスが起こること、更に、図６のスイッチ局以外のもの(2の替わりに1)に結合されることが示される。
【００５１】
以下では、フローチャートにより、 通信を確立する要求で用いられる手順のモードが、図９、１０、および図１１と１２でそれぞれ示され、そして、安全な通信を確立した時、つまり、二つのスイッチ局(図９および１０)を含む時、かつ、加入者局が１つの同一のスイッチ局(図１１および１２)に関係する場合、例を用いてより詳細に説明する。既述したように、加入者局は、常にあるスイッチ局に関連づけられ、そして、量子キーはそれぞれ１つのスイッチ局と加入者局の間で発生される。通常、異なったスイッチ局は、通信確立とキー発生にそれぞれ関与し、これらのスイッチ局は次に直接に、またはいずれかの所望されるネットワーク構造を通じて相互接続される。例外的な例では、以前に既に説明したように、確立されるべき通信にかかわる加入者は、１つの同じスイッチ局、すなわち、１つの同じ“信用ゾーン”に関連づけられる。 
【００５２】
通信接続を確立するための手順のスタートでは、全てで可能であるか、および、ネットワークプロバイダーおよび、加入者間に接続を構築するためにと２人の加入者に関心があるかチェックしなければならない。したがって、図９によると、ブロック57でのスタートのステップ56の後に、必要なデータを組み立てて、それらを、データパッケージのフォーム内に準備することによって、通信要求がなされる。そのような通信要求は、例えば以下のコンテンツを持つようにしてもよい。
- 開始者：例えば、明白なネットワークアドレス、IPのような他のネットワークプロトコルでのアドレスを有する同等の形態における開始者例えば1.1の識別
- ターゲット局：(通信が要求された)コールされた加入者例えば2.1の識別
- 通信開始時間：この情報で、通信が実行される所望の時間ポイントが設定される。任意に、即座の通信の確立のために象徴を定義することができます。
- 通信確立の状態：この情報は通信の異なった特性に関する象徴の定義を許可する。このような象徴の例は、通信コストの運搬(開始者、ターゲット局、企画の例えばアカウント)、送信されたデータに対する応答性、通信の優先度、機密のレベルなどである。
【００５３】
ブロック58に基づき、この要求は公衆ラインを通して適切なスイッチ局、例えば、1に伝えられる。
【００５４】
到来する要求は、それぞれのスイッチ局、つまり、ここではスイッチ局1によりチェックされる。特に、開始者1.1のデータはチェックされる。ブロック59を参照。そのようなチェックは、例えば、開始者の認証、送信するための開始者の認可、(ターゲット局と、この秘密性レベルと、この時間ポイントなどと)、会計情報など、様々な情報のチェックを含むことができる。ブロック60に基づき、このチェックの否定の結果は、通信の切断につながり、また、ブロック61に基づき適した応答の発生につながるであろう。ブロック62によるこの応答は開始者1.1に戻される。
【００５５】
ブロック59のチェックで肯定的な結果の場合、ブロック59'に従って、ターゲット局2.1に関する情報はチェックされるであろう。ここで、チェックは以下のように情報を見なすかもしれない。例えば、ターゲット局の能力、開始者との通信の許可、ターゲット局の情報の計算、通信の秘密レベルなどである。チェックが否定的結果をもたらなら、その通信は再び切断され(ブロック60)、そして、それぞれのレポートは開始者(ブロック61、62)に送信させるであろう。
【００５６】
さもなければ、要求は、ターゲット局2.1を管理してスイッチ局2に送信されるであろう。図９のブロック６３を参照。このスイッチ局2に種々な方法で達することができる。この例は、個々のスイッチ局の階層的な組織であり(図２を参照)、 または、すべてのスイッチ局間の直接接続である(図３を参照)。
【００５７】
ブロック64に基づき、ターゲット局2.1に関連づけられたスイッチ局2は、要求を受け取って、処理する。この処理の範囲の中では、ターゲット局2.1に関するデータはチェックされる。ブロック65を参照。ここで、この情報は、責任があるスイッチ局2においてのみ公知であるかもしれないので、例えば、ターゲット局2.1の課金情報がチェックされる。同様に、秘密性の程度、または許可された通信パートナーのサークルに関する情報は、責任のあるスイッチ局2のみに既知であり、従って、このステップのブロック65においてのみ、チェックされる。チェックの否定的結果は、通信の切断につながり(ブロック66)、そして、個々の報告につながるであろう(ブロック67を参照)。この後はブロック68によって第１のスイッチ局にリターンする。
【００５８】
追加的に肯定的な結果では、ブロック69によるターゲット局2.1は、認証のために責任あるスイッチ局2によって要求されてもよい。同時に、ターゲット局2.1は、通信要求が告知されるであろう。ここで、要求に関するすべての情報を送信できるが、図９で例証されるように、追加的に、成功した認証後のみにそれらを送信することもできる。例証した場合では高度合いのセキュリティを確実にするために、認証の肯定的なチェック後のみに、通信のために必要であるデータがターゲット局2.1に送信されてもよい。図９によると、要求に答えるための決定70の後に、(ブロック71による)認証データは、関連するスイッチ局2にリターンされ、そこでは、ブロック72に従って、それらがチェックされる。
【００５９】
ブロック72により、ターゲット局の認証チェックが否定的結果で終わるなら、確立された通信は、発生されたそれぞれの回答の後に、再度、終了されるであろう(ブロック 66, 67を参照)。そして、もう一度、答えは、コールしているスイッチ局1へ戻されるであろう(ブロック68を参照)。
【００６０】
さもなければ、ブロック73による要求は、ターゲット局2.1に送信され、その結果、ブロック74に基づき、後者は、通信の確立に同意するか、またはそれに対する拒絶に同意することができる。ターゲット局2.1の回答は、ブロック77だけでなく、例えばブロック75, 76に含まれるすべてのスイッチ局2.1だけでなく、開始者1.12にも送信される。 同意された通信の形態(秘密性のレベル、課金情報など)と、そして、同意された時間のポイントによって、ブロック75での肯定的な応答の場合、それぞれの初期化を準備することができる。それぞれの回答はすなわち、開始者で、つまり、コールしている加入者1.1で、ブロック78に基づきチェックされ、そして、肯定の場合、フィールド79に基づき、通信ための準備は行き渡っている。
【００６１】
否定的な返答の場合、ブロック80に従って通信が中止されるなら、開始者1.1は再び通信(図９の要求81を参照)を確立し始めることができる。責任があるスイッチ局側のそれぞれのメカニズムにより、ここでは例えば、タイム・ユニットあたりの通信試みの最大数のようなパラメータにより、通信試み当たりのコストなどは、目的を制御するために使用されてもよい。要求81での決定が否定的であるなら、フィールド82により、通信試みは最終的に中止されるであろう。
【００６２】
また、より高いレベルのセキュリティに達するように、含まれる通信パートナー間のすべての通信ステップをコード化することも可能である。このために、中心PKIに基づくような非対称方法的と同様に、ブロックコード(AES、IDEA など)および現在のコード(Vernam変形、SEAL、2.0など)のような対称の方法の双方が適する。
【００６３】
先に説明したようにステップ通信が初期化された後、次のステップでは(図１０を参照)、必要なキービットシーケンスが発生され、そして、通信が確立されるであろう。
【００６４】
彼のスイッチ局1と共に、通信の開始者1.1は同意している上質の評価基準および対応するキー長がある「ストリーム1」を発生させる。暗号化で働くために、例えばAES("Announcing the Advanced Encryption Stan-dard", Federal Information Processing Standards Publication 197, NIST)により、後で、256ビットのキー長に同意される。図１０では、スタートのステップ83の次には、これはブロック84(ストリーム1の発生の創設)と85(ストリーム1の発生)に例証される。
【００６５】
次のステップでは、発生の状態(ブロック86を参照)がチェックされる(ブロック87)。否定的状態は通信の取下げにつながるであろう(フィールド88を参照)。
【００６６】
発生の状態が肯定的なものであるなら、ブロック89に従って、発生されたストリーム1は、開始者1.1のスイッチ局1によってコード化されるであろう。ストリーム1のコード化は、例えば、AESなどの対称方法、または非対称的な方法で実行されてもよい。
【００６７】
コード化されたストリーム1を受信した後(ブロック90を参照)、ブロック91に基づき、ターゲット局2.1のスイッチ局2は、ターゲット局2.1にて、第２のキービットシーケンス(ストリーム2)の発生を開始する。ブロック92を参照。またここで、それぞれの性質の評価基準に同意することができ、長さは、例えば、後で選ばれた方法によって、ストリーム1の長さに対応することができる。その後、その状態はブロック94でチェックされる(ブロック98)。否定的状態の場合には、通信は中止される。フィールド95を参照。
【００６８】
肯定の状態の場合には、コード化されたストリーム1は次のステップ(ブロック96)で解読され、そして、第３のキービットシーケンス(ストリーム3)を発生するために、その後、ブロック97にて、発生されたストリーム2でコード化される。暗号化に関する例は、２つのストリーム1および2の無変換の加算(XOR動作)である。このために、両方のストリーム1および2が同じ長さを持ち、そして、あらかじめ定義された性質の評価基準を満たすのが必要である。
【００６９】
ブロック98により、このように発生されたストリーム3は、ターゲット局2.1に移動され、再びそこでストリーム2で解読される(ブロック99)。(ストリーム1)解読結果は、以下「セッションキー」と呼び、そして、ブロック100に従って、接続を確立するとき、それはキーとして使用される。
【００７０】
ターゲット局2.1は、ブロック100で創始者1.1と接続確立を始め、そして、ブロック101にて開始者は通信を取り上げる。これのために、再度、AESかIDEAなどのアルゴリズムは使用されてもよい。 次に、確立された接続はブロック102でチェックされる。通信のこのチェックが否定的結果をもたらすなら、その通信は中止され、肯定的な結果では、 通信はこの方法によって定義されたように安全であり (フィールド103)、セッションキー(1)を用いて通信が生じる。
【００７１】
通信の取下げの後に、通信にかかわったすべてのそれぞれの通信パートナーはそれぞれのレポートを受け取る。システムプロバイダーは、例えば、失敗のステップの繰り返しの通信の場合に、さらなるプロセスを定義してもよい。また、反復が可能であるかどうかは、また、第１のステップで同意された通信のセットアップの状態に依存することができ; このために、また、同意された通信の始まりの時間のポイントは関連しているかもしれない。
【００７２】
言及したように、図１１と１２は再び、コールされた加入者局(ここでは、1.2)がコールしている加入者局1.1と同じスイッチ局1に関連している例に関する。通信するための要求についてのシーケンスでの個々のステップを見ると(図９に比較して図１１を参照)、図９と比較して、図１１では、特にブロックスイッチ局1および2間のデータ送信に関する異なったステップを省略できることがわかる。ターゲット局1.2に関するデータのチェックはブロック65で１度のみ実行され、また、図９のブロック60および66の結合に対応するブロック105(つまり図１１のブロック105)に従って通信の取下げも一度だけ設定される。同様の事実は、図９における、ブロック61と67の組み合わせに対応する、図１１でのブロック106に基づくそれぞれの回答の提供に当てはまる。さもなければ、シーケンスが図９と同じであるので、図１１に関するさらなる説明は反復を避けるために不必要である。
【００７３】
同様に、上述は、安全な通信の確立に関して、図１０のイラストに対応して、図１２のものに適用され、図１２内の１つの同一のスイッチ局1での処置のために、図１０内のブロック89および90、および、ストリーム1のコード化について、および別のスイッチ局へのそれの変換は省略される。その結果、また、図１０でのブロック96による第１のストリームの解読は、図１２のシーケンスで省略される。さして、そこで、第１のストリーム1は、第２のストリーム2によって直ちにコード化される。ブロック97、98を参照。
【００７４】
最後にキービットシーケンスを発生している時の手順を図１３により、さらに詳細に説明する。ここで、スタートのステップ107の後、開始者、つまりコールしている加入者局、つまり、加入者1.1は、図１３のブロック108にて、例えば、発生の開始時に、対応する要求を出す。この要求は、例えば、発生されるべきストリームの長さ、ストリームの性質の評価基準、例えば、FIPS("Security Requirements for Cryptographic Modules", Federal Information Processing Standards Pub-lication, pp. 140-2, NISTを参照)のごときもの、Golombによる評価基準(A. J. Menezes, P. c. van Oorschot, S. A. Vanstone; "Handbook of Applied Cryptography"; CRC Press 1996; p. 180 ff.を参照)、直線性のコンプレクシティ( A. J. Menezes, P. c. van Oorschot, S. A. Vanstone; "Handbook of Ap-plied Cryptography"; CRC Press 1996; p. 198 ff.を参照)などの異なった象徴を含むかもしれない。
【００７５】
その要求は、含まれる通信パートナー間に送信され、システム(調整、自己テストなど)の準備、記録などの適したステップを開始するために役に立つ。
【００７６】
ストリームの発生は、ブロック109,110で、含まれる通信パートナー間で、つまり、開始者とスイッチ局1との間で、例えば、Bennett および Brassardによるプロトコル(C. H. Bennett, F. Bessette, G. Brassard, L. Salvail, J. Smolin, "Experimental Quantum Cryptography", J. Cryp-tology (1992) 5; pp. 3-28を参照)のようなそれぞれのプロトコルにより実行される。また、ブロック111で同意された長さのストリームが発生された時、そのストームは、含まれる通信パートナーの一方によって、つまり、ブロック112によるスイッチ局1により、チェックされる。このチェックの範囲の中では、以前に要求で定義された性質の評価基準をチェックすることができる。発生されたストリームがチェックの範囲内で否定された時、それぞれのエラー報告が発生され(ブロック113)、そして、第２の通信パートナー、ここでは開始者1.1に送信される(ブロック114)。
【００７７】
そのストリームがチェックで許容できると評価されるなら、ブロック115に従って、肯定的な状態の報告が発生される。その報告は、両方の通信パートナーが現在、彼らが一緒に発生させたキーを持っていることを確信する。
【００７８】
他方、エラー報告後、キーを発生させることへのさらなる試みを開始者に開始させることを始めさせてもよい(ブロック116)。ここで、システムプロバイダーは、例えば、単位時間あたりの試みにある回数だけ許可することにより、各試みを個別に支払うことによって、制御方法に介入してもよい。試みが繰り返されないなら、ブロック117に従って、否定的な状態の報告が生成され、共通キーを生成することができなかったことを確認する。
【００７９】
最終的な状態は、図１３でのブロック118に例証され、別のコース(コード化された通信または切断)を決定する。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】スイッチ局とそれぞれ関連した加入者局を備えたこの発明的のシステムのセットアップを図式的に示す。
【図２】個々のスイッチ局を相互接続するための階層的なモデルを示す。
【図３】図２の代替として、スイッチ局を接続するためにノードからノードへのモデルを示す。
【図４】インターレースの光子を生成用として、スイッチ局および加入者局内の不可欠の量子暗号装置を図式的にそれぞれ示す。
【図５Ａ】加入者局を通じて通信をセットアップするための要求の場合のシーケンスを例証するためのダイヤグラムを示し、ここではリソース指向のセットアップがなされる。
【図５Ｂ】図５Ａの代替として、速度指向の通信のセットアップを求める要求の場合のシーケンスのためにダイヤグラムを示す。
【図６】それぞれ図５Ａと５Ｂの通信要件の場合の安全な通信のセットアップを例証するためのダイヤグラムを示す。
【図７Ａ】要求している加入者局と要求された加入者局が全く同じスイッチ局に関係している状況で、ここでもリソース指向のセットアップを、図５Ａに対応した方法で示す。
【図７Ｂ】要求している加入者局と要求された加入者局が全く同じスイッチ局に関係している状況で、ここでも速度指向の通信のセットアップを、図５Ｂに対応した方法で示す。
【図８】１つの同一のスイッチ局に接続される、２つの加入者局間の安全な通信のセットアップを例証するために、図７Ａと７Ｂに対応するダイヤグラムを示す。
【図９】２つのスイッチ局を含んでいる通信セットアップを要求するステップを例証するためのフローチャートを示す。
【図１０】安全な通信のセットアップをそのために例証する関連したフローチャートを示す。
【図１１】ただ１つのスイッチ局が含まれるとき、通信セットアップの要求によって手順を例証するためのフローチャートを示す。
【図１２】ただ１つのスイッチ局が含まれるとき、安全な通信のセットアップを例証するために、図１１に関係するフローチャートを示す。
【図１３】加入者局とスイッチ局の間のキービットシーケンスの発生を例証するためのフローチャートを示す。
【符号の説明】
【００８１】
1、2：スイッチ局
1'または2'：信用ゾーン
3：量子チャンネル
1.1, 1.2, .., 1.i .., 1.m：加入者局
2.1, 2.2., .., 2.i, .., 2.n：加入者局
4：公衆ライン
10：光子ペアのソース
11, 11'：検出器
12：偏光子
13：制御ユニット
15, 16：アバランシェダイオード 
【図１】
0004610342.tif 000002
【図２】
0004610342.tif 000003
【図３】
0004610342.tif 000004
【図４】
0004610342.tif 000005
【図５Ａ】
0004610342.tif 000006
【図５Ｂ】
0004610342.tif 000007
【図６】
0004610342.tif 000008
【図７Ａ】
0004610342.tif 000009
【図７Ｂ】
0004610342.tif 000010
【図８】
0004610342.tif 000011
【図９】
0004610342.tif 000012
【図１０】
0004610342.tif 000013
【図１１】
0004610342.tif 000014
【図１２】
0004610342.tif 000015
【図１３】
0004610342.tif 000016