(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導波路に光学的に結合された送信機と、
第２の導波路に光学的に結合された第１の通信デバイスと、
第１のコアおよび第２のコアを含むマルチコア光ファイバと、
前記第１の導波路を前記第１のコア中の第１の空間チャネルに光学的に結合し、前記第２の導波路を前記第１のコア中の第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成された空間多重化ユニットと、
を備え、
前記第１の空間チャネルおよび前記第２の空間チャネルは、別個の経路により、異なる空間モードの伝送をサポートし、
前記第１の空間チャネルは、前記第１の導波路からの第1の信号を第１の空間モードで伝送し、前記第２の空間チャネルは、前記第２の導波路からの第２の信号を第２の空間モードで伝送し、前記第２の空間チャネルの経路は、前記第１の空間チャネルの経路よりも前記第１のコアの中心から離れている、量子通信システム。
【請求項２】
前記マルチコア光ファイバは少なくとも４つのコアを含む、請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項３】
前記空間多重化ユニットはファイバファンアウトを含む、請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項４】
各空間チャネルは、波長分割多重を使用して複数の信号を伝送するように構成される、請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項５】
波長分割マルチプレクサをさらに備える請求項４に記載の量子通信システム。
【請求項６】
前記第１のコアおよび前記第２のコアはマルチモード導波路である、請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項７】
空間モードデマルチプレクサをさらに備える請求項６に記載の量子通信システム。
【請求項８】
前記送信機はパルスレーザおよび光減衰器を含む、請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項９】
前記第１の通信デバイスは古典通信デバイスである、請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項１０】
１以上のさらなる古典通信デバイスをさらに備え、前記１以上のさらなる古典通信デバイスの各々はさらなる導波路に光学的に結合され、
前記マルチコア光ファイバは１以上のさらなるコアを含み、前記空間多重化ユニットは各導波路を前記マルチコア光ファイバ中の異なるコアの１つの空間チャネルに光学的に結合するようにさらに構成される、請求項９に記載の量子通信システム。
【請求項１１】
前記送信機は量子通信デバイスである、請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項１２】
１以上のさらなる量子通信デバイスをさらに備え、前記１以上のさらなる量子通信デバイスの各々はさらなる導波路に光学的に結合され、
前記マルチコア光ファイバは１以上のさらなるコアを含み、前記空間多重化ユニットは各導波路を前記マルチコア光ファイバ中の異なるコアの１つの空間チャネルに光学的に結合するようにさらに構成される、請求項１１に記載の量子通信システム。
【請求項１３】
信号を検出するように構成された少なくとも１つの検出器を含み、第３の導波路に光学的に結合される受信機と、
第４の導波路に光学的に結合された第２の通信デバイスと、
前記第３の導波路を前記マルチコア光ファイバ中の前記第１の空間チャネルに光学的に結合し、前記第４の導波路を前記マルチコア光ファイバ中の前記第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成された第２の空間多重化ユニットと、
をさらに備える請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項１４】
前記送信機および前記受信機を同期させるように構成されたタイミング制御モジュールをさらに備え、
前記第２の通信デバイスは、前記タイミング制御モジュールから同期信号を受信し、前記マルチコアファイバ中の前記第２の空間チャネルを通じて前記第１の通信デバイスに前記同期信号を送信するように構成される、請求項１３に記載の量子通信システム。
【請求項１５】
前記送信機および前記受信機を同期させるように構成されたタイミング制御モジュールをさらに備え、
前記第１の通信デバイスは、前記タイミング制御モジュールから同期信号を受信し、前記マルチコア光ファイバ中の前記第２の空間チャネルを通じて前記第２の通信デバイスに前記同期信号を送信するように構成される、請求項１３に記載の量子通信システム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの検出器はゲート検出器であり、前記タイミング制御モジュールは、前記検出器のゲーティングを前記送信機からの信号の到着時間と同期させるように構成される、請求項１５に記載の量子通信システム。
【請求項１７】
前記受信機はデコーダを含み、前記送信機は前記受信機と前記送信機との間の暗号鍵を生成するように構成されたエンコーダを含む、請求項１３に記載の量子通信システム。
【請求項１８】
前記生成された暗号鍵を使用して古典データを暗号化するように構成されたモジュールと、前記生成された暗号鍵を使用して暗号化された古典データを解読するように構成されたモジュールと、を備え、前記第１の通信デバイスおよび前記第２の通信デバイスは暗号化された古典データを交換するように構成される、請求項１７に記載の量子通信システム。
【請求項１９】
信号を検出するように構成された少なくとも１つの検出器を含み、第１の導波路に光学的に結合された受信機と、
第２の導波路に光学的に結合された第２の通信デバイスと、
第１のコアおよび第２のコアを含むマルチコア光ファイバと、
前記第１の導波路を前記第１のコア中の第１の空間チャネルに光学的に結合し、前記第２の導波路を前記第１のコア中の第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成された空間多重化ユニットと、
を備え、
前記第１の空間チャネルおよび前記第２の空間チャネルは、別個の経路により、異なる空間モードの伝送をサポートし、
前記第１の空間チャネルは、前記第１の導波路からの第1の信号を第１の空間モードで伝送し、前記第２の空間チャネルは、前記第２の導波路からの第２の信号を第２の空間モードで伝送し、前記第２の空間チャネルの経路は、前記第１の空間チャネルの経路よりも前記第１のコアの中心から離れている、量子通信システム。
【請求項２０】
送信機と、第１の通信デバイスと、第１の空間多重化ユニットと、第１のコアおよび第２のコアを含むマルチコア光ファイバと、第２の空間多重化ユニットと、受信機と、第２の通信デバイスと、を含むシステム上で通信するための量子通信方法であって、
前記送信機から前記第１の空間多重化ユニットに信号を送信するステップと、
前記信号を前記マルチコア光ファイバ中の前記第１のコア中の第１の空間チャネルに導くステップと、
前記第２の空間多重化ユニットにおいて前記第１のコア中の前記第１の空間チャネルから前記信号を受信するステップと、
前記信号を前記受信機に導くステップと、
前記第１の通信デバイスおよび前記第２の通信デバイスの一方から前記第１の空間多重化ユニットおよび前記第２の空間多重化ユニットの一方に信号を送信するステップと、
前記信号を前記マルチコア光ファイバ中の前記第１のコア中の第２の空間チャネルに導くステップと、
前記第１の空間多重化ユニットおよび前記第２の空間多重化ユニットの他方において前記第１のコア中の前記第２の空間チャネルから前記信号を受信するステップと、
前記信号を前記第１の通信デバイスおよび前記第２の通信デバイスの他方に導くステップと、
を備え、前記第１の空間チャネルおよび前記第２の空間チャネルは、別個の経路により、異なる空間モードの伝送をサポートし、
前記第１の空間チャネルは、前記送信機からの前記信号を第１の空間モードで伝送し、前記第２の空間チャネルは、前記第１の通信デバイスまたは前記第２の通信デバイスからの前記信号を第２の空間モードで伝送し、前記第２の空間チャネルの経路は、前記第１の空間チャネルの経路よりも前記第１のコアの中心から離れている、量子通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１５年２月５日に出願された英国特許出願第１５０１９４６．６からの優先権の利益に基づいたものであり、この優先権の利益を主張し、その全内容は、参照によってここに組み込まれる。
［技術分野］
ここで説明される実施形態は、一般的に、量子通信システムおよび量子通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子通信システムでは、情報は、単一光子などの符号化された単一量子によって送信機と受信機との間で送信される。各光子は、偏光、位相またはエネルギー／時間などの光子の性質で符号化された１ビットの情報を運ぶ。光子は、例えば角運動量などの性質を使用することによって、２ビット以上の情報を運ぶこともできるかもしれない。
【０００３】
量子鍵配送（ＱＫＤ）は、「アリス」と称されることもある送信機と「ボブ」と称されることもある受信機との二者間での鍵の共有に帰着する技術である。この技術の魅力は、鍵の任意の部分が「イブ」と称されることもある不正な盗聴者に知られることができたかどうかのテストを提供することである。量子鍵分配の多くの形態では、アリスおよびボブは、ビット値を符号化するために２つ以上の非直交基底を使用する。量子力学の法則により、各々の符号化基底の事前知識なしでのイブによる光子の観測は、光子のいくつかの状態に不可避の変化を引き起こす。光子の状態に対するこれらの変化は、アリスとボブとの間で送信されるビット値に誤りをもたらす。それらの共通ビット列の部分を比較することによって、アリスおよびボブは、イブが情報を獲得したかどうかを判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
以下、添付の図面を参照しながら非限定的な実施形態に係るデバイスおよび方法を説明する。
【図１（ａ）】図１（ａ）は、実施形態に係る、量子送信機を含む量子通信システムの概略図を示す。
【図１（ｂ）】図１（ｂ）は、実施形態に係る、量子受信機を含む量子通信システムの概略図を示す。
【図２】図２は、１４９０ｎｍで送信された古典信号のラマン散乱スペクトルを示す。
【図３（ａ）】図３（ａ）は、実施形態に係る、マルチコア光ファイバを含む量子通信システムの概略図を示す。
【図３（ｂ）】図３（ｂ）は、マルチコアファイバの端部の顕微鏡画像およびシングルコアファイバの端部の顕微鏡画像を示す。
【図４（ａ）】図４（ａ）は、少数モードまたはマルチモード光ファイバを含む量子通信システムの概略図を示す。
【図４（ｂ）】図４（ｂ）は、少数モードまたはマルチモード光ファイバと複数の量子送信機とを含む量子通信システムの概略図を示す。
【図５（ａ）】図５（ａ）は、実施形態に係る、マルチモードコアを有するマルチコアファイバを含む量子通信システムの概略図を示す。
【図５（ｂ）】図５（ｂ）は、実施形態に係る、各空間チャネルが波長分割多重を使用して複数の量子信号または古典信号を伝送する量子通信システムの概略図を示す。
【図６】図６は、実施形態に係る、量子送信機と２つの空間多重化ユニットと量子受信機とを含む量子通信システムの概略図である。
【図７】図７は、実施形態に係る、複数の通信デバイスを含む量子通信システムの概略図である。
【図８】図８は、実施形態に係る、量子送信機および量子受信機が非対称マッハツェンダー干渉計に基づいている量子通信システムの概略図である。
【図９】図９は、古典データ信号を暗号化するためにどのように量子鍵を使用することができるかを示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
一実施形態によれば、第１の導波路に光学的に結合された量子送信機と、第２の導波路に光学的に結合された第１の通信デバイスと、第１のコアおよび第２のコアを含むマルチコア（multi-core）光ファイバと、第１の導波路を第１のコアに光学的に結合し、第２の導波路を第２のコアに光学的に結合するように構成された空間多重化ユニット（spatial multiplexing unit）と、を備える量子通信システムが提供される。
【０００６】
一実施形態では、第１の通信デバイスは古典通信デバイスである。古典通信デバイスは、古典送信機、古典受信機または古典送受信機モジュールであってもよい。
【０００７】
一実施形態では、システムは、１以上のさらなる古典通信デバイスをさらに備え、１以上のさらなる古典通信デバイスの各々はさらなる導波路に光学的に結合され、マルチコア光ファイバは１以上のさらなるコアを含み、空間多重化ユニットは各導波路をマルチコア光ファイバ中の異なるコアに光学的に結合するようにさらに構成される。
【０００８】
一実施形態では、第１の通信デバイスは量子通信デバイスである。量子通信デバイスは、量子送信機または量子受信機であってもよい。
【０００９】
一実施形態では、システムは、１以上のさらなる量子通信デバイスをさらに備え、１以上のさらなる量子通信デバイスの各々はさらなる導波路に光学的に結合され、マルチコア光ファイバは１以上のさらなるコアを含み、空間多重化ユニットは各導波路をマルチコア光ファイバ中の異なるコアに光学的に結合するようにさらに構成される。
【００１０】
一実施形態では、量子送信機および第１の通信デバイスはフォトニックチップ（photonic chip）上に集積され、光ファイバは使用されない。一実施形態では、自由空間マイクロオプティクス（micro-optics）は、光ファイバの代わりに使用される。
【００１１】
空間多重化ユニットは、第１の導波路からの信号および第２の導波路からの信号をマルチコア光ファイバへと多重化するように構成される。
【００１２】
第１の導波路および第２の導波路はシングルモード（single mode）光ファイバであってもよい。
【００１３】
量子送信機は量子信号の源（source）を含む。一実施形態では、量子信号の源はパルスレーザ（pulsed laser）および光減衰器である。パルス中の平均光子数は１未満であってもよい。情報は、偏光または位相などの光子の量子パラメータを変更することによって光パルスに符号化されることができる。量子送信機は、デコイ状態ＱＫＤプロトコルを実現するように構成された強度変調器をさらに含んでいてもよい。
【００１４】
一実施形態では、マルチコア光ファイバは２つのコアを含む。一実施形態では、マルチコア光ファイバは４つのコアを含む。一実施形態では、マルチコア光ファイバは７つのコアを含む。一実施形態では、マルチコア光ファイバは７以上のコアを有する。一実施形態では、マルチコア光ファイバは、共通のクラッディング（cladding）に囲まれた複数の光学コアを含む。
【００１５】
一実施形態では、空間多重化ユニットはファイバファンアウト（fibre fan-out）を含む。
【００１６】
ファイバファンアウトは、複数の光ファイバを含むファイババンドルを含んでいてもよく、ファイババンドル中の各光ファイバの第１端におけるクラッディングの外径は、マルチコア光ファイバ中のコア間の最小距離以下であり、ファイババンドル中の第１の光ファイバは、第１端でマルチコア光ファイバ中の第１のコアに光学的に結合され、他端で第１の導波路に光学的に結合され、ファイババンドル中の第２の光ファイバは、第１端でマルチコア光ファイバ中の第２のコアに光学的に結合され、他端で第２の導波路に光学的に結合される。
【００１７】
あるいは、ファイバファンアウトは、複数の導波路を含むフォトニックチップを含んでいてもよく、第１端におけるフォトニックチップ上の導波路間の間隔は、マルチコア光ファイバ中のコア間の距離と実質的に等しく、フォトニックチップ上の第１の導波路は、第１端でマルチコア光ファイバ中の第１のコアに光学的に結合され、他端で第１の導波路に光学的に結合され、フォトニックチップ上の第２の導波路は、第１端でマルチコア光ファイバ中の第２のコアに光学的に結合され、他端で第２の導波路に光学的に結合される。
【００１８】
一実施形態では、第１のコアおよび第２のコアの少なくとも１つは、波長分割多重を使用して複数の信号を伝送するように構成される。一実施形態では、システムは波長分割マルチプレクサをさらに含む。マルチコアファイバは空間多重化ユニットに接続される。空間多重化ユニットは、マルチコアファイバ中の第１のコアを第１の光ファイバに光学的に結合し、マルチコアファイバ中の第２のコアを第２の光ファイバに光学的に結合するように構成される。第１のファイバは、波長分割マルチプレクサに接続され、波長分割マルチプレクサは、第１の波長の光を第１の導波路に導き（direct）、第２の波長の光を第３の導波路に導くように構成される。
【００１９】
一実施形態では、第１のコアおよび第２のコアの少なくとも１つはマルチモード（multi-mode）導波路である。システムは、空間モードデマルチプレクサ（spatial mode de-multiplexer）をさらに含んでいてもよい。空間多重化ユニットは、マルチコアファイバ中の第１のコアおよびマルチコアファイバ中の第２のコアの少なくとも１つをマルチモードファイバに光学的に結合するように構成される。マルチモードファイバは空間モードデマルチプレクサに接続される。空間モードデマルチプレクサは、マルチモードファイバ中の第１の空間モードを第１の導波路に光学的に結合するように構成される。第１の空間モードファイバ中の第２の空間モードは、第３の導波路に光学的に結合されてもよい。
【００２０】
一実施形態では、量子通信システムは、量子信号を検出するように構成された少なくとも１つの検出器を含み、第４の導波路に光学的に結合された量子受信機と、第５の導波路に光学的に結合された第２の通信デバイスと、第４の導波路をマルチコア光ファイバ中の第１の空間チャネルに光学的に結合し、第５の導波路をマルチコア光ファイバ中の第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成された第２の空間多重化ユニットと、をさらに含む。
【００２１】
一実施形態では、量子送信機コンポーネントおよび通信デバイスコンポーネントは第１のフォトニックチップ上に集積される。一実施形態では、量子受信機コンポーネントおよび通信デバイスコンポーネントは第２のフォトニックチップ上に集積される。
【００２２】
一実施形態では、量子送信機コンポーネントおよび通信デバイスコンポーネントは自由空間マイクロオプティクスを使用して光学的に結合される。一実施形態では、量子受信機コンポーネントおよび通信デバイスコンポーネントは自由空間マイクロオプティクスを使用して結合される。
【００２３】
光は、送信機および受信機の出力で光ファイバへと単に結合される。
【００２４】
一実施形態では、量子通信システムは、複数の量子送信機と、量子受信機と、を含み、複数の送信機は、マルチコアスプリッタを介して受信機に光学的に結合される。
【００２５】
一実施形態では、量子通信システムは、量子送信機および量子受信機を同期させるように構成されたタイミング制御モジュールをさらに含み、第２の通信デバイスは、タイミング制御モジュールから同期信号を受信し、第２の空間チャネルを通じて第１の通信デバイスへ同期信号を送信するように構成される。他の実施形態では、第１の通信デバイスは、タイミング制御モジュールから同期信号を受信し、第２の空間チャネルを通じて第２の通信デバイスへ同期信号を送信するよう構成される。他の実施形態では、同期は、古典チャネル上で送信されたデータから量子送信機でシステムクロックを生成することによって実現される。他の実施形態では、同期は、古典チャネル上で送信されたデータからの量子受信機でシステムクロックを生成することによって実現される。
【００２６】
一実施形態では、少なくとも１つの検出器はゲート検出器（gated detector）であり、タイミング制御モジュールは検出器のゲーティングを量子送信機からの信号の到着時間と同期させるように構成される。一実施形態では、タイミング制御モジュールは位相変調器を同期させるように構成される。
【００２７】
一実施形態では、量子受信機はデコーダを含み、量子送信機は、量子受信機と量子送信機との間の暗号鍵を生成するように構成されたエンコーダを含む。
【００２８】
一実施形態では、量子通信システムは、生成された暗号鍵を使用して古典データを暗号化するよう構成されたモジュールと、生成された暗号鍵を使用して暗号化された古典データを解読するよう構成されたモジュールと、を含み、第１の通信デバイスおよび第２の通信デバイスは、暗号化された古典データを交換するように構成される。
【００２９】
一実施形態では、量子通信システムはＱＫＤシステムである。一実施形態では、古典データを暗号化するように構成されたモジュールおよび古典データを解読するように構成されたモジュールは各々、非対称マッハツェンダー干渉計を含む。一実施形態では、古典データを暗号化するように構成されたモジュールおよび古典データを解読するように構成されたモジュールは各々、位相変調器をさらに含む。
【００３０】
一実施形態では、量子通信システムは、フィードバック信号に基づいて能動的安定化を実現するように構成されたフィードバック制御ユニットを含み、第２の通信デバイスは、第１の通信デバイスにフィードバック信号を送信するよう構成され、量子送信機は、フィードバック信号によって制御されるように構成された制御要素を含む。
【００３１】
一実施形態では、能動的安定化は、例えば、安定化パルスカウントに基づいて量子受信機の１または複数のコンポーネントを制御する量子受信機内の制御ユニットによって実現され、フィードバック信号は送信されない。
【００３２】
一実施形態では、能動的安定化は量子ビット誤り率に基づいている。一実施形態では、能動的安定化は、量子送信機から量子受信機へ送信された基準パルスの検出結果に基づいている。一実施形態では、制御要素は、受信機または送信機における非対称マッハツェンダー干渉計中の調節可能な位相遅延もしくは位相変調器である。
【００３３】
一実施形態では、能動的安定化は、干渉する光子の計数率に基づいている。一実施形態では、制御要素は、受信機または送信機における偏光コントローラである。
【００３４】
一実施形態では、制御要素は、光子源の遅延または時間制御またはトリガーである。一実施形態では、制御要素は、光子検出器のゲート制御である。
【００３５】
一実施形態では、量子送信機は光子のパルスを放射するように構成され、パルス中の光子の平均数は１未満である。
【００３６】
他の実施形態によれば、量子信号を検出するように構成された少なくとも１つの検出器を含み、第１の導波路に光学的に結合された受信機と、第２の導波路に光学的に結合された第２の通信デバイスと、複数の空間チャネルを含むマルチコア光ファイバと、第１の導波路をマルチコア光ファイバ中の第１の空間チャネルに光学的に結合し、第２の導波路をマルチコア光ファイバ中の第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成された空間多重化ユニットと、を含む量子通信システムが提供される。
【００３７】
少なくとも１つの検出器は単一光子検出器であってもよく、単一光子検出器はゲーティングされる（gated）またはフリーランニングされる（free-running）ことができる。単一光子検出器は、例えば、半導体ＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードに基づいていることができる。
【００３８】
一実施形態では、量子受信機および第２の通信デバイスはフォトニックチップ上に集積され、光ファイバは使用されない。一実施形態では、自由空間マイクロオプティクスは光ファイバの代わりに使用される。
【００３９】
他の実施形態によれば、量子送信機と、第１の通信デバイスと、第１の空間多重化ユニットと、複数の空間チャネルを含むマルチコア光ファイバと、第２の空間多重化ユニットと、量子受信機と、第２の通信デバイスと、を含むシステム上で通信するための量子通信方法であって、量子送信機から第１の空間多重化ユニットに量子信号を送信するステップと、量子信号をマルチコア光ファイバ中の第１の空間チャネルに導くステップと、第２の空間多重化ユニットにおいて第１の空間チャネルから量子信号を受信するステップと、量子信号を量子受信機に導くステップと、第１の通信デバイスおよび第２の通信デバイスの一方から第１の空間多重化ユニットおよび第２の空間多重化ユニットの一方に信号を送信するステップと、信号をマルチコア光ファイバ中の第２の空間チャネルに導くステップと、第１の空間多重化ユニットおよび第２の空間多重化ユニットの他方において第２の空間チャネルから信号を受信するステップと、前記信号を前記第１の通信デバイスおよび前記第２の通信デバイスの他方に導くステップと、を備える量子通信方法が提供される。
【００４０】
図１（ａ）は、実施形態に係る量子通信システムの概略図である。通信システムは量子送信機１０１および通信デバイス１０２を含む。量子送信機１０１は、第１の導波路１０３に光学的に結合され、通信デバイス１０２は、第２の導波路１０４に光学的に結合される。第１の導波路１０３および第２の導波路１０４は、空間多重化ユニット１０５に光学的に結合される。第３の導波路１０６もまた空間多重化ユニット１０５に光学的に結合される。第３の導波路１０６は、異なる空間チャネルに沿った異なる信号の伝送を可能にするように構成される。第３の導波路１０５は複数の空間チャネルを含む。第３の導波路１０６は、いくつかの空間モードの伝送をサポートするファイバの長さであってもよい。空間多重化ユニット１０５は、第１の導波路１０３を第３の導波路１０６中の第１の空間チャネルに光学的に結合し、第２の導波路１０４を第３の導波路１０６中の第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成される。
【００４１】
量子送信機１０１は、量子信号の源、例えば、パルスレーザおよび光減衰器を含む。量子送信機１０１は、光子のパルスを放射するように構成されてもよく、この場合において、パルス中の光子の平均数は１未満である。情報は、偏光または位相などの光子の量子パラメータを変更することによって光パルスに符号化されることができる。
【００４２】
量子送信機１０１は、量子信号を光導波路１０３に送信する。信号は、空間多重化ユニット１０５に入力される。空間多重化ユニット１０５は、第１の空間チャネルでファイバリンク１０６に信号を導く。
【００４３】
空間多重化ユニット１０５は、０．５〜２ｄＢ以上だけ当該ユニットを通過する信号を減衰させることがある。
【００４４】
一実施形態では、通信デバイス２１１は古典通信デバイスである。システムは、量子通信システムおよび古典通信システムを組み合わせたものである。量子送信機１０１および古典通信デバイス１０２は、導波路１０３および１０４を介して空間多重化ユニット１０５に接続されている。一実施形態では、これらの導波路はシングルモード（single-mode）光ファイバであってもよい。空間多重化ユニット１０５は、ファイバ１０６へと信号を多重化し、ファイバ１０６は、複数の空間モードの伝送をサポートする。言い換えると、空間モード多重化は、量子信号および古典信号の両方を伝送するために使用される。例えば、ファイバ１０６はマルチコアファイバであることができる。
【００４５】
量子送信機１０１からの量子信号および古典通信デバイスへの古典信号または古典通信デバイスからの古典信号は、別個の空間チャネルに沿って同じ光ファイバリンクに沿って伝送される。個別の空間チャネルはマルチコアファイバ中の別個のコアであってもよい。量子信号および古典信号が別個の空間チャネルで伝送される場合、たとえそれらが同じファイバリンクに沿って伝送されたとしても、古典信号と量子信号との間のクロストークは低い。実施形態では、狭波長フィルタ（narrow wavelength filters）および時間フィルタリング検出器（time-filtering detectors）は、古典信号と量子信号との間のクロストークを抑制するために使用されない。代替の実施形態では、波長または偏光フィルタなどの追加のフィルタが使用される。
【００４６】
量子信号および古典信号が単一のファイバリンクを移動するシステムは、低価格であり、既存のネットワークに組み込むことができる。さらに、古典信号と量子信号との間のクロストークが低いので、高いデータ伝送速度が古典伝送に使用されることができる。
【００４７】
一実施形態では、古典通信デバイス１０２は古典受信機である。一実施形態では、古典通信デバイス１０２は古典信号の源である。
【００４８】
一実施形態では、量子通信システムは双方向古典通信を使用する。双方向古典通信は、例えば、ＱＫＤシステムにおいて、同期、フィードバック、誤り訂正およびプライバシー増幅に使用されることができる。双方向古典通信は、例えば、イーサネット（登録商標）などの付加的な古典通信に使用されることもできる。この実施形態では、古典通信デバイス１０２は双方向通信デバイスである。双方向通信は、波長分割多重（ＷＤＭ；wavelength division multiplexing）を使用して導波路１０４上で実行されることができる。双方向古典通信デバイスは、送受信機、すなわち、小型モジュール内の受信機および送信機である。送受信機は、導波路１０４に光学的に結合される。それは、第１の波長で古典信号を導波路１０４に送信し、第２の波長で導波路１０４に沿って移動する信号を受信することができる。送受信機は、量子受信機および量子送信機が各々別個の導波路に光学的に結合される図５（ｂ）に示されるようないくつかの分離された受信機／送信機を有するシステムとは異なる。図５（ｂ）のようなシステム内の量子送信機／受信機は、異なる物理的位置にあることができる。
【００４９】
古典通信デバイス１０２が古典信号の源を含む場合、それは古典信号を光導波路１０４に送信する。信号は空間多重化ユニット１０５に入力される。空間多重化ユニット１０５は、信号を第２の空間チャネルでファイバリンク１０６に導く。
【００５０】
古典通信デバイス１０２が古典受信機を含む場合、ファイバリンク１０６で第２の空間チャネルに沿って送信された古典信号は、空間多重化ユニット１０５によって光導波路１０４へ導かれる。信号は古典受信機１０２によって受信される。
【００５１】
量子チャネルが、例えば単一の光ファイバを共有するために、量子通信システムで古典チャネルを有する同じ物理的な伝送媒体を共有することは望ましい。ＱＫＤ技術では、アリスおよびボブは、量子信号に加えて古典信号を使用して通信する。古典チャネルおよび量子チャネルは、波長分割多重を使用して単一の光ファイバを通じて一緒に送信されてもよく、それによって、異なる波長の光が異なる信号を送信するために使用される。
【００５２】
量子チャネルおよび古典チャネルがこのようにともに多重化される場合、光子のラマン散乱は、古典信号を送信するために使用される高出力古典レーザーによって生成される。光子のこの非弾性散乱は、波長フィルタでフィルタリングすることができない量子波長帯域でノイズをもたらす。例えば、このノイズを最小化するために、例えば、古典信号の電力が制限されてもよい。
【００５３】
代替の実施形態では、通信デバイス１０２は量子通信デバイスである。量子通信デバイスは量子送信機または量子受信機であってもよい。この実施形態では、マルチコアファイバ１０６内の第２のコアが量子通信信号の空間多重化を可能にするので、システムの帯域幅は増大される。
【００５４】
量子送信機１０１および量子通信デバイス１０２は、導波路１０３および１０４を介して空間多重化ユニット１０５に接続されている。一実施形態では、これらの導波路はシングルモード光ファイバであってもよい。空間多重化ユニット１０５は、複数の空間モードの伝送をサポートするファイバ１０６上に信号を多重化する。言い換えると、空間モード多重化は、量子送信機１０１および量子通信デバイス１０２の両方の量子信号を送信するために使用される。ファイバ１０６は、例えば、マルチコアファイバであることができる。
【００５５】
量子送信機１０１からの量子信号および量子通信デバイス１０２へのまたは量子通信デバイス１０２からの量子信号は、別個の空間チャネルで同じ光ファイバリンクに沿って送信される。別個の空間チャネルはマルチコアファイバ内の別個のコアであってもよい。
【００５６】
図１（ｂ）は、実施形態に係る量子通信システムの概略図である。通信システムは、量子受信機２１０および通信デバイス２１１を含む。量子受信機２１０は第１の導波路２０８に光学的に結合され、通信デバイス２１１は第２の導波路２０９に光学的に結合される。第１の導波路２０８および第２の導波路２０９は、空間多重化ユニット２０７に光学的に結合される。第３の導波路２０６もまた空間多重化ユニット２０７に光学的に結合される。第３の導波路２０６は、異なる空間チャネルに沿った異なる信号の伝送を可能にするように構成される。第３の導波路２０６は複数の空間チャネルを含む。空間多重化ユニット２０７は、第１の導波路２０８を第３の導波路２０６内の第１の空間チャネルに光学的に結合し、第２の導波路２０９を第３の導波路２０６内の第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成される。ファイバ２０６は、例えば、マルチコアファイバであることができる。
【００５７】
量子受信機は、１以上の検出器、例えば、単一光子検出器を含む。単一光子検出器は、ゲーティングまたはフリーランニングされることができる。単一光子検出器は、例えば、半導体ＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードに基づいていることができる。
【００５８】
量子信号は、ファイバリンク２０６内の第１の空間チャネルに沿って送信され、空間多重化ユニット２０７によって光導波路２０８へ導かれる。信号は量子受信機２１０によって受信される。
【００５９】
一実施形態では、通信デバイスは古典通信デバイスである。一実施形態では、古典通信デバイス２１１は古典受信機である。一実施形態では、古典通信デバイス２１１は古典信号の源である。一実施形態では、古典通信デバイスは、上述したように、古典信号を送信し、さらに、古典信号を受信するように構成される。
【００６０】
古典通信デバイス２１１が古典信号の源を含む場合、それは光導波路２０９へ古典信号を送信する。信号は空間多重化ユニット２０７に入力される。空間多重化ユニット２０７は、第２の空間チャネルでファイバリンク２０６へ信号を導く。
【００６１】
古典通信デバイス２１１が古典受信機を含む場合、ファイバリンク２０６内の第２の空間チャネルに沿って送信された古典信号は、空間多重化ユニット２０７によって光導波路２０９へ導かれる。信号は古典受信機によって受信される。
【００６２】
代替の実施形態では、通信デバイス２１１は量子通信デバイスである。量子通信デバイスは、量子送信機であってもよく、量子受信機であってもよい。この実施形態では、マルチコアファイバ２０６内の第２のコアが量子通信信号の空間多重化を可能にするので、システムの帯域幅は増大される。
【００６３】
図２は、１４９０ｎｍで送信された古典信号のラマン散乱スペクトルを示す。縦軸を光パワー（単位：ｍＷ）にとって、横軸に波長（単位：ｎｍ）が示される。スペクトルは、逆方向に散乱された光を示す。１４９０ｎｍの強いピークは古典信号のレイリー散乱に対応する。古典信号は、ラマン散乱の結果として広範囲のバックグラウンドをさらに有する。この広範囲バックグラウンドは、同じファイバに沿って送信された波長分割多重化信号に影響を及ぼし得る。ラマンノイズは、波長分割多重化信号と同じ波長であり得る。
【００６４】
図３（ａ）は、実施形態に係る量子通信システムの概略図であり、この量子通信システムでは、導波路３０６はマルチコア光ファイバである。システムは量子送信機３０１および通信デバイス３０２を含む。量子送信機３０１は第１の導波路３０３に光学的に結合され、通信デバイス３０２は第２の導波路３０４に光学的に結合される。第１の導波路３０３および第２の導波路３０４は、ファイバファンアウトである空間多重化ユニット３０５に光学的に結合される。マルチコア光ファイバである第３の導波路３０６もまた、ファイバファンアウト３０５に光学的に結合される。
【００６５】
マルチコア光ファイバ３０６は、１つのコア当たり１つの空間モードの伝送を可能にする。ファイバファンアウト３０５は、マルチコアファイバ３０６の第１のコアから送信された信号をシングルモード導波路３０３へ導き、さらに、第２のコアから送信された信号をシングルモード導波路３０４へ導く。別方向の送信に関しては、ファイバファンアウト３０５は、シングルモード導波路３０３から送信された信号を第１のコアへ導き、さらに、第２のシングルモード導波路３０４から送信された信号を第２のコアへ導く。ファイバファンアウト３０５は、異なるコアに信号を送り出す（launch）ために、複数のシングルモードファイバをマルチコアファイバに接続する。マルチコアファイバ内の各コアは、ファイバファンアウト３０５を通じて導波路に光学的に結合される。
【００６６】
マルチコア導波路は、シングルコア（single-core）光ファイバよりごくわずかに大きい直径を有してもよい。
【００６７】
一実施形態では、ファイバファンアウト３０５はファイババンドルを含み、ファイババンドル内の各ファイバのクラッディングの外径は、マルチコアファイバ３０６内のコア間の最小距離以下である。ファイババンドル内の各ファイバは、マルチコアファイバ３０６内のコアに光学的に結合される。ファイババンドルは、標準のシングルモードファイバと比較して縮小された直径を持つクラッディングを有する複数のシングルモードファイバを含む。縮小された直径を持つクラッディングを有するシングルモードファイバは、ファイバファンアウト３０５中で一緒に密にパックされ（packed）、各シングルモードファイバは、マルチコアファイバ３０６内のコアに接続される。シングルモードファイバにおける縮小された量のクラッディングはそれらを一緒に密にパックすることを可能にするので、シングルモードファイバ内のコア間の距離は、マルチコアファイバ３０６内のコア間の距離と等しい。それらが例えば接着剤で一緒にパックされた後に、シングルモードファイバのパックされたバンドルの端面は磨かれ、マルチコアファイバ３０６に接続される。ファイババンドルのコアおよびマルチコアファイバ３０６は、例えば異なるコアの伝送損失を測定することによって、位置合わせされる必要がある。ファイババンドル内の第１の光ファイバは、他端で導波路３０３に光学的に結合されてもよく、ファイババンドル内の第２の光ファイバは、他端で導波路３０４に光学的に結合されてもよい。
【００６８】
他の実施形態では、ファイバファンアウト３０５は、３Ｄ導波路を含むフォトニックチップを含む。チップは、適切な材料で作られ、それに３Ｄ導波路がレーザーで書き込まれる。書き込むレーザーの焦点深度を調節することによって、３Ｄ導波路を形成することができる。導波路は、それらが面内に存在しないように配置されてもよい。ｚコンポーネントは、導波路の長さに従って変更されることができる。いくつかの導波路は、チップ内で重なっていることができる。フォトニックチップの一端において、３Ｄ導波路は、等間隔で配置され、シングルモードファイバ、例えば、導波路３０３、導波路３０４などのＶグルーブアレイ（V-groove array）に接続される。他端において、間隔がマルチコアファイバ３０６のコア配置と合致するように、３Ｄ導波路はともに接近している。マルチコアファイバ３０６はチップのこの側面に接続される。
【００６９】
図３（ｂ）は、比較のために、マルチコアファイバ（左）の端部の顕微鏡画像およびシングルコアファイバ（右）の端部の顕微鏡画像を示す。示されたマルチコアファイバは７つのコアを含むが、一般に、マルチコアファイバは、８以上または６以下のコアを含むものであってもよい。各コアは透明な導波路である。コアは共有クラッディングに囲まれている。コアは、マルチコアファイバに沿って長く延びる。示されたマルチコアファイバでは、６つのコアがリング状に配置され、７つ目のコアがリングの中心にある。
【００７０】
示されたマルチコアファイバの直径は１８５μｍである。示されたシングルコアファイバの直径は１２５μｍである。一実施形態では、マルチコアファイバの直径は１２５μｍと２２５μｍとの間にある。
【００７１】
マルチコアファイバと複数のファイバからなる光ケーブルとの間の差は共有クラッディングである。クラッディングは、１または複数の光学モードを制限するために、コアより低い屈折率を有するコアを囲む材料である。マルチコアファイバ内の複数のコアはすべて単一の共有クラッディングで包まれている。マルチファイバ光ケーブルでは、各ファイバは分かれた個々のクラッディングで覆われている。このため、各ファイバは、それ自体で完全に機能的な導波路であり、他のファイバから分離されることができる。
【００７２】
異なるコアのモードは強く結合しないので、マルチコアファイバの使用は、長距離の伝送を可能にする。ファイバファンアウトは、異なるコアにおけるモード間の少量のクロストークだけがあるように、マルチコア光ファイバと導波路との間を確実に結合する。一実施形態では、マルチコアファイバは、伝送が少なくとも５０ｋｍの距離にわたって生じることができるように構成される。一実施形態では、マルチコアファイバは、伝送が少なくとも１００ｋｍの距離にわたって生じることができるように構成される。一実施形態では、マルチコアファイバは、伝送が少なくとも２００ｋｍの距離にわたって生じることができるように構成される。
【００７３】
一実施形態では、マルチコアファイバ内のコアは、光信号が各コア中を同じ速度で伝搬するように構成される。
【００７４】
実施形態では、狭波長フィルタおよび時間フィルタリング検出器は、古典信号と量子信号との間のクロストークを抑制するために使用されることはない。実施形態では、量子通信システムは、波長フィルタなどのフィルタリングコンポーネントを含む。
【００７５】
図４（ａ）は、量子通信システムの概略図であり、この量子通信システムでは、導波路４０６は、少数モード（few-mode）またはマルチモード光ファイバである。システムは量子送信機４０１および通信デバイス４０２を含む。量子送信機４０１は第１の導波路４０３に光学的に結合され、通信デバイス４０２は第２の導波路４０４に光学的に結合される。第１の導波路４０３および第２の導波路４０４は、空間モードデマルチプレクサである空間多重化ユニット４０５に光学的に結合される。少数モードまたはマルチモード光ファイバである第３の導波路４０６もまた、空間モードデマルチプレクサ４０５に光学的に結合される。
【００７６】
少数モードまたはマルチモードファイバ４０６は、同じ導波路中で複数の空間モードの伝送をサポートする。図は、ＬＰ０１およびＬＰ１１（ＬＰは直線偏光（linearly polarized）を表す）と称される、これらのモードのうちの２つの説明図を示す。ＬＰモードは、光ファイバ中の波動方程式の近軸解（ファイバ軸に略平行に伝搬する）である。それらの電磁場はファイバ軸に略垂直であり、従って、それらは実質的な横電磁（ＴＥＭ）である。これらの解は、コアとクラッディングとの間の屈折率差が小さい弱誘導導波路（weakly guiding waveguide）の制限に存在する。
【００７７】
各モードは、通常のシングルモードファイバなどの中では、偏光の２つの直交状態（例えばＬＰ０１水平およびＬＰ０１垂直）を有する。異なるＬＰモードは、図示されるように異なる半径方向電磁場分布を有する。言い換えると、いくらかのオーバーラップがあるかもしれないが、モードは導波路中の異なる空間経路に沿って移動する。モードは分離され、すなわち、１つのモードからの光は異なるモードへ結合されそうもない。モードＬＰ１１の光は、モードＬＰ０１の光よりもファイバの中心から離れた経路に沿って移動する。これは、ファイバコアの中心となる位置またはファイバコアに対してオフセットした位置に光を送り出すことによってモードＬＰ０１またはＬＰ１１それぞれを選択的に励起することを可能にする。
【００７８】
少数モードおよびマルチモードファイバは、２以上の空間モードの伝送をサポートするより大きい直径のコアを有するファイバである。少数モードファイバは、シングルモードファイバよりもわずかに大きいだけであり、ほんの少数の追加の空間モードをサポートする。モードは強く結合しないので、これは、マルチモードファイバよりもはるかに長い距離にわたる伝送を可能にする。少数モードファイバは１０未満の空間モードを伝送するように構成されてもよい。少数モードファイバは２つの空間モードを伝送するように構成されてもよい。少数モードファイバは４つの空間モードを伝送するように構成されてもよい。少数モードファイバは５０未満のモードを伝送するように構成されてもよい。少数モードファイバコアの直径は、特定のファイバタイプと、コアおよびクラッディングの屈折率並びに波長などのファクターと、に依存する。少数モードファイバコアの直径は１０〜５０μｍであってもよい。少数モードファイバコアの直径は１０〜２０μｍであってもよい。
【００７９】
少数モードまたはマルチモードファイバ４０６は、空間モードデマルチプレクサ４０５に接続される。空間モードデマルチプレクサ４０６は、異なる空間モードで送信された信号を分離し、フォトニックランタンとも称される。空間モードデマルチプレクサ４０５は、モードＬＰ０１でのファイバ４０６からの入力信号を第１のシングルモード導波路４０３へ導き、モードＬＰ１１でのファイバ４０６からの入力信号を第２のシングルモード導波路４０４へ導く。別方向の送信に関しては、空間モードデマルチプレクサ４０５は、シングルモード導波路４０３から送信された信号をモードＬＰ０１でファイバ４０６へ導き、第２のシングルモード導波路４０４から送信された信号モードＬＰ１１でファイバ４０６へ導く。空間モードデマルチプレクサ４０５は、異なる空間モードに信号を送り出すために、いくつかのシングルモードファイバをマルチモードファイバ４０６に接続する。
【００８０】
空間モードデマルチプレクサ４０５は、ファイババンドルを含んでもよく、ファイババンドル中の各ファイバがマルチモードファイバ４０６中の異なる空間モードに光学的に結合されるように、ファイババンドル中の各ファイバのクラッディングの外径は一端において先細りになっている。先細りは、異なるファイバの光をマルチモードファイバ４０６のコアへガイドするために使用される。バンドル中の異なる光ファイバからの光は単一のマルチモードコアへ送り出される。一実施形態では、マルチモードコアは１０ｕｍ幅である。ファイバの先細り端を出る光は１つの空間モードを主に励起させる。ファイババンドル中の第１の光ファイバは他端で導波路３０３に光学的に結合されることができ、ファイババンドル中の第２の光ファイバは他端で導波路３０４に光学的に結合されることができる。
【００８１】
空間モードデマルチプレクサ４０５は３Ｄ導波路を含むフォトニックチップを含んでいてもよい。チップは適切な材料で形成され、３Ｄ導波路はレーザーでそれに刻まれる。フォトニックチップの一端では、３Ｄ導波路は、均一に間隔を置かれ、例えば導波路３０３および導波路３０４などのシングルモードファイバのＶグルーブアレイに接続される。他端では、バンドル中の異なる光ファイバからの光が単一のマルチモードコアに送り出されるように、３Ｄ導波路はともに接近している。マルチモードファイバ４０６はチップのこの側面に接続される。
【００８２】
量子通信システムは、第１の導波路に光学的に結合された量子送信機と、第２の導波路に光学的に結合された第１の通信デバイスと、複数の空間チャネルを含む光ファイバと、第１の導波路を第３の導波路中の第１の空間チャネルに光学的に結合し、第２の導波路を第３の導波路中の第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成された空間多重化ユニットと、を含む。
【００８３】
多重化ユニットは、例えば、量子および古典信号の偏光が独立になり且つ直交（これに制限されない）になるように、第１の導波路を第３の導波路中の第１の空間チャネルに、第２の導波路を第３の導波路中の第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成されてもよい。
【００８４】
多重化ユニットは、信号への重要な偏光依存損失を引き起こさないように、すなわち、偏光依存損失が量子受信機および古典受信機の機能性に影響しないくらい十分に小さくなるように、構成されることができる。
【００８５】
第３の導波路はマルチモード光ファイバであってもよい。光ファイバは、任意の偏光を有する別個の空間モードでの信号の伝送をサポートするように構成されることができる。
【００８６】
空間多重化ユニットは空間モードデマルチプレクサを含んでいてもよい。
【００８７】
空間モードデマルチプレクサは、複数の光ファイバを含むファイババンドルを含んでいてもよく、ファイババンドル中の各ファイバのクラッディングの外径は、一端で先細りになり、ファイババンドル中の第１の光ファイバは、第１端でマルチモード光ファイバ中の第１のモードに、他端で第１の導波路に光学的に結合され、ファイババンドル中の第２の光ファイバは、第１端でマルチモード光ファイバ中の第２のモードに、他端で第２の導波路に光学的に結合される。
【００８８】
空間モードデマルチプレクサは、複数の導波路を含むフォトニックチップを含んでいてもよく、第１端におけるフォトニックチップ上の導波路間の間隔は、チップ上の異なる導波路からの光が単一のマルチモードコアファイバに送り出されるようにされ、フォトニックチップ上の第１の導波路は、第１端でマルチモード光ファイバ中の第１のモードに、他端で第１の導波路に光学的に結合され、フォトニックチップ上の第２の導波路は、第１端でマルチモード光ファイバ中の第２のモードに、他端で第２の導波路に光学的に結合される。
【００８９】
マルチモードファイバは５０未満の空間モードを伝送するように構成されてもよい。マルチモードファイバは１０未満の空間モードを伝送するように構成されてもよい。マルチモードファイバは２つの空間モードを伝送するように構成されてもよい。マルチモードファイバは１ｋｍを超えていてもよい。マルチモードファイバは１０ｋｍを超えていてもよい。マルチモードファイバは２０ｋｍを超えていてもよい。
【００９０】
システムは波長分割マルチプレクサをさらに含んでいてもよい。第３の導波路中の第１の空間チャネルおよび第２の空間チャネルの少なくとも１つは、波長分割多重を使用して複数の信号を伝送するように構成されていてもよい。
【００９１】
第３の導波路は、コアの少なくとも１つがマルチモード導波路であるマルチコア光ファイバであってもよい。システムはファイバファンアウトをさらに含んでいてもよい。
【００９２】
量子通信システムはＱＫＤシステムであってもよい。古典通信デバイスは、暗号化データを受信または送信するように構成されることができる。
【００９３】
量子通信システムは、各々がさらなる導波路に光学的に結合された１以上のさらなる量子通信デバイスを含んでいてもよく、この場合において、第３の導波路は１以上のさらなる空間チャネルを含み、空間多重化ユニットは各さらなる導波路を第３の導波路中の異なるさらなる空間チャネルに光学的に結合するようにさらに構成される。
【００９４】
量子通信システムは、各々がさらなる導波路に光学的に結合された１以上のさらなる古典通信デバイスを含んでいてもよく、そこでは、第３の導波路は１以上のさらなる空間チャネルを含み、空間多重化ユニットは、各さらなる導波路を第３の導波路中の異なるさらなる空間チャネルに光学的に結合するように構成される。
【００９５】
量子通信システムは、量子信号を検出するように構成され、第４の導波路に光学的に結合された少なくとも１つの検出器を含む量子受信機と、第５の導波路に光学的に結合された第２の通信デバイスと、第４の導波路を第３の導波路中の第１の空間チャネルに、第５の導波路を第３の導波路中の第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成された第２の空間多重化ユニットと、を含む。
【００９６】
量子通信システムは、波長フィルタを使用せずに、量子送信機と量子受信機との間でデータを伝送するように構成されてもよい。量子通信システムは、偏光コンポーネントを使用せずに、量子送信機と量子受信機との間でデータを伝送するように構成されてもよい。
【００９７】
量子通信システムは、量子送信機および量子受信機を同期させるように構成されたタイミング制御モジュールをさらに含んでいてもよく、この場合において、第２の通信デバイスは、タイミング制御モジュールから同期信号を受信し、第２の空間チャネルを通じて第１の通信デバイスに同期信号を送信するように構成される。
【００９８】
量子通信システムは、量子送信機および量子受信機を同期させるように構成されたタイミング制御モジュールをさらに含んでいてもよく、この場合において、第１の通信デバイスは、タイミング制御モジュールから同期信号を受信し、第２の空間チャネルを通じて第２の通信デバイスに同期信号を送信するように構成される。
【００９９】
少なくとも１つの検出器はゲート検出器であってもよく、タイミング制御モジュールは検出器のゲーティングを量子送信機からの信号の到着時間と同期させるように構成されてもよい。
【０１００】
量子受信機はデコーダを含んでいてもよく、量子送信機は量子受信機と量子送信機との間の暗号鍵を生成するように構成されたエンコーダを含んでいてもよい。
【０１０１】
量子通信システムは、生成された暗号鍵を使用して古典データを暗号化するように構成されたモジュールと、生成された暗号鍵を使用して暗号化された古典データを解読するように構成されたモジュールと、をさらに含んでいてもよく、この場合において、第１の古典通信デバイスおよび第２の古典通信デバイスは、暗号化された古典データを交換するように構成される。
【０１０２】
量子通信システムは、フィードバック信号を生成するように構成されたフィードバック制御ユニットをさらに含んでいてもよく、この場合において、第２の古典通信デバイスは、第１の古典通信デバイスにフィードバック信号を送信するように構成され、量子送信機は、フィードバック信号によって制御されるように構成された制御要素を含む。
【０１０３】
量子送信機は光子のパルスを放出するように構成され、この場合において、パルス中の平均光子数は１未満である。
【０１０４】
量子送信機は、パルスレーザおよび光減衰器を含んでいてもよい。
【０１０５】
量子通信システムは、量子信号を検出するように構成され、第１の導波路に光学的に結合された少なくとも１つの検出器を含む受信機と、第２の導波路に光学的に結合された第２の通信デバイスと、複数の空間チャネルを含む第３の導波路と、第１の導波路を第３の導波路中の第１の空間チャネルに、第２の導波路を第３の導波路中の第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成された空間多重化ユニットと、を含む。
【０１０６】
量子送信機と、第１の通信デバイスと、第１の空間多重化ユニットと、複数の空間チャネルを含む第３の導波路と、第２の空間多重化ユニットと、量子受信機と、第２の通信デバイスと、を含むシステム上で通信するための量子通信方法は、量子送信機から第１の空間多重化ユニットに量子信号を送信するステップと、量子信号を第３の導波路中の第１の空間チャネルへ導くステップと、第２の空間多重化ユニットにおいて第１の空間チャネルから量子信号を受信するステップと、量子信号を量子受信機へ導くステップと、第１の通信デバイスおよび第２の通信デバイスの一方から第１の空間多重化ユニットおよび第２の空間多重化ユニットの一方へ信号を送信するステップと、信号を第３の導波路中の第２の空間チャネルへ導くステップと、第１の空間多重化ユニットおよび第２の空間多重化ユニットの他方において第２の空間チャネルから信号を受信するステップと、信号を第１の通信デバイスおよび第２の通信デバイスの他方へ導くステップと、を含む。
【０１０７】
図４（ｂ）は、マルチモードまたは少数モードスプリッタ１４０３を含む量子通信システムの概略図を示す。マルチモードまたは少数モードスプリッタでは、導波路はすべてマルチモードまたは少数モード導波路である。第１の空間モードで第１のマルチモード導波路から入力された光は、第１の空間モードでマルチモードスプリッタから複数のマルチモード導波路へ出力される。第２の空間モードで第１のマルチモード導波路から入力された光は、第２の空間モードでマルチモードスプリッタから複数のマルチモード導波路へ出力される。
【０１０８】
量子通信システムは、各々が量子信号の源を含む複数の送信機ユニットと、量子信号を検出するように構成された少なくとも１つの検出器と第１の古典通信デバイスとを含む量子受信機を含む受信機ユニットと、マルチモードスプリッタと、を含み、複数の送信機ユニットがマルチモードスプリッタを介して受信機ユニットに光学的に結合され、マルチモードスプリッタは、第１の空間チャネルによって量子受信機に、第２の空間チャネルによって第１の古典通信デバイスに光学的に結合される。
【０１０９】
マルチモードスプリッタ１４０３は、１つのマルチモード導波路から１または複数の他のマルチモード導波路へ光を結合するためにエバネセント結合を使用してもよい。マルチモードスプリッタ１４０３は、２以上のマルチモード光ファイバを含んでいてもよく、この場合において、光ファイバのクラッディングの厚さが縮小され、２以上のファイバが密に接触して配置される。接触領域では、光は、振動によって第１のマルチモードファイバから他のマルチモードファイバへエバネセント結合され、すなわち、結合領域の長さは、どれだけの光が１つのマルチモードファイバから他のマルチモードファイバへ結合されるかを決定する。第１のマルチモードファイバ中の第１の空間モードの光は、第１の空間モードの他のマルチモードファイバへエバネセント結合される。第１のマルチモードファイバ中の第２の空間モードの光は、第２の空間モードの他のマルチモードファイバへエバネセント結合される。結合領域の長さは分割比を決定する。結合領域の長さは、例えば、光の５０％が１つの導波路から他の導波路へ結合されるようにされることができる。
【０１１０】
マルチモードスプリッタ１４０３はフォトニックチップ上に実装されてもよい。フォトニックチップ上のいくつかの導波路は、接触領域で光が１つの導波路から他の導波路にエバネセント結合されるように、互いに密に接触した状態で配置される。
【０１１１】
マルチモードスプリッタは、カスケード的に一緒に接続された複数の１×２マルチモードスプリッタおよび／または２×２マルチモードスプリッタであってもよい。
【０１１２】
あるいは、マルチモードスプリッタは、光がＭ個の導波路からＮ個の導波路へ結合されるように、密に接触して配置されたＭ個の入力導波路およびＮ個の出力導波路を有する単一のマルチモードスプリッタを含んでいてもよい。
【０１１３】
マルチモードスプリッタは、２つのマルチモード導波路が一方の導波路から他方の導波路へ光を結合するために交差される光クロスカプラであってもよい。
【０１１４】
ユニット１４０１−１〜１４０１−Ｎは各々、古典通信デバイスおよび量子通信デバイスを含む。ユニット１４０１−１〜１４０１−Ｎはそれぞれ、空間モードデマルチプレクサ１４４０−１〜１４４０−Ｎをさらに含む。
【０１１５】
ユニット１４０１−１〜１４０１−Ｎとマルチモードスプリッタ１４０３との間の分配ファイバ１４０２−１〜１４０２−Ｎは、マルチモード導波路または少数モード導波路である。ファイバ１４０２−１〜１４０２−Ｎは各々、第１の空間モードＬＰ０１および第２の空間モードＬＰ１１の伝送をサポートすることができる。ファイバ１４０２−１〜１４０２−Ｎは、さらなる空間モードの伝送をサポートしてもよい。ユニット１４０１−１〜１４０１−Ｎはそれぞれ、第１の空間チャネル１４０２ａおよび第２の空間チャネル１４０２ｂによってマルチモードスプリッタ１４０３に光学的に結合される。第１の空間チャネル１４０２ａは第１の空間モードＬＰ０１を含み、第２の空間チャネル１４０２ｂは第２の空間モードＬＰ１１を含む。
【０１１６】
マルチモードまたは少数モードファイバ１４０２−１〜１４０２−Ｎはそれぞれ、空間モードデマルチプレクサ１４４０−１〜１４４０−Ｎに光学的に結合される。第１の導波路は、ユニット内でそれぞれの空間モードデマルチプレクサ１４４０−１〜１４４０−Ｎと古典通信デバイスとの間を接続し、第２の導波路は、ユニット内でそれぞれの空間モードデマルチプレクサ１４４０−１〜１４４０−Ｎと量子送信機との間を接続する。それぞれの空間モードデマルチプレクサ１４４０−１〜１４４０−Ｎは、第１の空間モードＬＰ０１を含む第１の空間チャネル１４０２ａを第１の導波路に、第２の空間モードＬＰ１１を含む空間チャネル１４０２ｂを第２の導波路に光学的に結合する。
【０１１７】
ユニット１４０５は、マルチモードまたは少数モードファイバによってマルチモードスプリッタ１４０３に光学的に結合される。マルチモードまたは少数モードファイバは、第１の空間モードＬＰ０１および第２の空間モードＬＰ１１の伝送をサポートする。従って、ユニット１４０５は、第１の空間チャネル１４０４−１および第２の空間チャネル１４０４−２を通じてマルチモードスプリッタ１４０３に光学的に結合される。第１の空間チャネル１４０４−１は第１の空間モードＬＰ０１を含み、第２の空間チャネル１４０４−２は第２の空間モードＬＰ１１を含む。
【０１１８】
ユニット１４０５は、古典通信デバイス１４０６および量子受信機１４０７を含む。ユニット１４０５は空間モードデマルチプレクサ１４０８−ｂをさらに含む。空間チャネル１４０４−１および１４０４−２を含むマルチモードまたは少数モードファイバは、空間モードデマルチプレクサ１４０８−ｂに光学的に結合される。第１の導波路は、空間モードデマルチプレクサ１４０８−ｂと古典通信デバイス１４０６との間を接続し、第２の導波路は、第２の空間モードデマルチプレクサ１４０８−ｂと量子受信機１４０７との間を接続する。空間モードデマルチプレクサ１４０８−ｂは、第１の空間モードＬＰ０１を含む第１の空間チャネル１４０４−１を第１の導波路に、第２の空間モードＬＰ１１を含む第２の空間チャネル１４０４−２を第２の導波路に光学的に結合する。
【０１１９】
空間チャネル１４０４−１の信号は、１／Ｎの比で空間チャネル１４０２ａ−１〜１４０２ａ−Ｎへ分配され、空間チャネル１４０４−２の信号は、１／Ｎの比で空間チャネル１４０２ｂ−１〜１４０２ｂ−Ｎへ分配される。量子および古典チャネルは、ネットワーク全体で個々の空間チャネルを通じて送信される。
【０１２０】
マルチモードファイバは、図５（ｂ）に示されるマルチコアファイバ５０６の代わりに使用されることもできる。マルチモードファイバは、図６のファイバ６０６、図７のファイバ７０６および図８のファイバ８０６に使用されることもできる。図６の空間多重化ユニット６０５および６０７、図７の空間多重化ユニット７０５および７０７、ならびに、図８の空間多重化ユニット８０５および８０７は、ファイバファンアウトであってもよい。
【０１２１】
図５（ａ）は、実施形態に係る量子通信システムの概略図であり、この量子通信システムでは、光ファイバ５０６はマルチモードコアを有するマルチコアファイバである。マルチコアファイバ５０６中の各コアは、同じコア中でいくつかの空間モードの伝送をサポートするマルチモードファイバである。
【０１２２】
システムは、複数の量子通信デバイス５０１−１〜５０１−Ｎを含み、量子通信デバイス５０１−１〜５０１−Ｎはそれぞれ、対応する古典通信デバイス５０２−１〜５０２−Ｎを有する。示されたシステムでは、量子通信デバイスは量子送信機であるが、デバイスのうちのいくつかまたはすべてが量子受信機であってもよい。量子送信機５０１−１〜５０１−ｎは第１の導波路５０３−１〜５０３−ｎに光学的に結合され、古典通信デバイス５０２−１〜５０２−ｎは第２の導波路５０４−１〜５０４−ｎに光学的に結合される。導波路５０３−１〜５０３−ｎおよび導波路５０４−１〜５０４−ｎは、空間モードデマルチプレクサ５３０−１〜５３０−ｎに光学的に結合される。導波路５０３−１および導波路５０４−１は空間モードデマルチプレクサ５３０−１に光学的に結合される。各対の導波路５０３−ｎおよび５０４−ｎは、対応する空間モードデマルチプレクサ５３０−ｎに接続される。空間モードデマルチプレクサ５３０−１〜５３０−ｎはそれぞれ、マルチモード導波路５３１−１〜５３１−ｎによってファイバファンアウト５３２に接続される。さらに、マルチモードコアを有するマルチコアファイバである第３の導波路５０６は、ファイバファンアウト５３２に光学的に結合される。
【０１２３】
マルチコア光ファイバ５０６は、１つのコア当たり２以上の空間モードの伝送を可能にする。ファイバファンアウト５３２は、マルチコアファイバ５０６の第１のコアから送信される信号をマルチモード導波路５３１−１へ導き、第２のコアからの信号をマルチモード導波路５３１−２へ導くなどをする。別方向の送信に関しては、ファイバファンアウト５３２は、マルチモード導波路５３１−１から送信される信号を第１のコアへ導き、第２のマルチモード導波路５３１−２から送信される信号を第２のコアへ導くなどをする。ファイバファンアウト５３２は、複数のマルチモードファイバ５３１−１〜５３１−ｎをマルチコアファイバ５０６に接続し、マルチコアファイバ５０６中の各コアはマルチモードコアである。マルチコアファイバ中の各コアは、ファイバファンアウト５３２を通じてマルチモード導波路５３１−１〜５３１−ｎに光学的に結合される。
【０１２４】
マルチモードファイバ５３１−１〜５３１−ｎはそれぞれ対応する空間モードデマルチプレクサ５３０−１〜５３０−ｎに接続される。空間モードデマルチプレクサ５３０−１は、モードＬＰ０１でのファイバ５３１−１からの入力信号を第１のシングルモード導波路５０３−１へ導き、モードＬＰ１１でのファイバ５３１−１からの入力信号を第２のシングルモード導波路５０４−１へ導く。別方向の送信に関しては、空間モードデマルチプレクサ５３０−１は、シングルモード導波路５０３−１から送信される信号をモードＬＰ０１でファイバ５３１−１へ導き、第２のシングルモード導波路５０４−１から送信される信号をモードＬＰ１１でファイバ５３１−１へ導く。空間モードデマルチプレクサはそれぞれ、対応する導波路５０３−１〜５０３−ｎおよび５０４−１〜５０４−ｎと対応するマルチモード導波路５３１−１〜５３１−ｎとの間で信号を方向付ける。２つの空間モードだけが示されているが、より多くの空間モードを伝送することができるマルチモードファイバが使用されてもよい。
【０１２５】
ファイバファンアウト５３２は、第１のシングルモード導波路５０３−１および第２のシングルモード導波路５０４−１をマルチコア導波路５０６中の第１のコアに光学的に結合するように構成される。ファイバファンアウトは、第３のシングルモード導波路５０３−２および第４のシングルモード導波路５０４−２をマルチコア導波路５０６中の第２のコアに光学的に結合するように構成される。
【０１２６】
マルチコア導波路が（コアに分離するために）ファイバファンアウトに結合され、それから（モードを分離するために）複数の空間モードデマルチプレクサに結合されるシステムが示されるが、それに代えて、モードがまず分離され、それからコアが分離されてもよい。
【０１２７】
量子送信機、量子受信機、古典送信機、古典受信機の異なる組み合わせが可能である。一実施形態では、デバイス５０２−２は第２の量子通信デバイスである。
【０１２８】
上述したシステムでは、各コアがマルチモードコアであるマルチコアファイバは、システムの容量を増大させるために使用される。システムの容量を増大させるために、他の多重化技術が使用されることもできる。例えば、各空間チャネルは波長分割多重を使用して複数の信号を伝送することができる。
【０１２９】
一実施形態では、ＷＤＭは、マルチコアファイバのコア中のモードに沿って異なる波長で複数の信号を伝送するために使用される。２つの直交偏光で多重化するなどのシステムの容量を増大させる他の方法が使用されることもできる。偏光を使用する多重化は、例えば、偏光ビームスプリッタを使用して達成されることができる。
【０１３０】
図５（ｂ）は、実施形態に係る量子通信システムの概略図を示し、この量子通信システムは、各空間チャネルが波長分割多重を使用して複数の量子信号または古典信号を伝送するシステムの例である。マルチコアファイバ５０６に代えて、各コアがマルチモードファイバであるマルチコアファイバが使用されてもよい。
【０１３１】
システムは量子送信機５０１−ａおよび量子受信機５０１−ｂを含み、量子送信機５０１−ａおよび量子受信機５０１−ｂはそれぞれ導波路５０３−ａおよび５０３−ｂに光学的に結合される。システムは古典通信デバイス５０２−ａおよび古典通信デバイス５０２−ｂをさらに含み、古典通信デバイス５０２−ａおよび古典通信デバイス５０２−ｂはそれぞれ導波路５０４−ａおよび５０４−ｂに光学的に結合される。量子送信機、量子受信機、古典送信機、古典受信機の数はより多くてもよく、それらの他の組み合わせが可能である。実施形態では、量子信号および古典信号は別個の空間チャネルに沿って送信される。
【０１３２】
図５（ｂ）に示されるシステムは、量子チャネルの容量を増大させるために使用される複数のＱＫＤシステムを含む。マルチコアファイバ５０６は、第２のファイバファンアウトに接続されてもよく、第２のファイバファンアウトは、複数の受信機および複数の送信機を接続し、これらの複数の受信機および複数の送信機の各々は、図に示される１つの送信機および１つの受信機に対応する。これは、例えば、後述する図７に示される。しかしながら、一般に、示されるものはより大きなネットワークの一部である。量子信号は、マルチコアファイバ５０６の他端で異なる場所へ行く異なるファイバに分配されることができる。最も一般的な場合では、ネットワークは、例えば、異なる量子信号を異なるファイバへ切り替えるためのスイッチを使用することによって再構成可能である。
【０１３３】
導波路５０３−ａおよび５０３−ｂは、ＷＤＭカプラ５３４に光学的に結合される。導波路５０４−ａおよび５０４−ｂは、ＷＤＭカプラ５３５に光学的に結合される。ＷＤＭカプラ（ＷＤＭモジュールまたは波長フィルタと称されることもある）は、薄膜波長フィルタに基づいていてもよい。第１のフィルタは、選択された波長を反射または透過し、他のすべての波長を通過させる。残りの光は第２のフィルタへと送られ、第２のフィルタは、第２の選択された波長を反射または透過し、他のすべての波長を通過させる。他のタイプのＷＤＭモジュールは、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）に基づいていてもよい。これらは、チップ上に集積され、選択された波長の光を選択された導波路へ導くために干渉を使用してもよい。他のタイプのＷＤＭモジュールは、ファイバブラッグ格子に基づいていてもよく、ファイバブラッグ格子は、選択された波長を反射または透過する光ファイバに刻み込まれた回折格子である。
【０１３４】
導波路５３６はＷＤＭカプラ５３４に光学的に結合され、導波路５３７はＷＤＭカプラ５３５に光学的に結合される。導波路５３６および５３７は、ファイバファンアウト５３３に光学的に結合される。マルチコアファイバ５０６は、ファイバファンアウト５３３に光学的に結合される。
【０１３５】
ファイバ５０３および５０４は、例えば、キロメートルオーダーの長いファイバリンクであり得る。ファイバリンク５３６および５３７は、同様に、キロメートルオーダーの長さのものであってもよい。フィルタ５３５は、例えば、単一波長チャネルだけを除去する（または落とす）ことができ、異なる場所により多くのチャネルを除去するさらなるフィルタがあってもよい。スイッチは、異なる送信機または受信機間で信号を切り替えるために使用されることもできる。
【０１３６】
ファイバファンアウト５３３は、ファイバ５０６中の第１のコアからの入力信号を導波路５３６へ導き、ファイバ５０６中の第２のコアからの入力信号を導波路５３７へ導く。異なる波長の複数の信号は各コア中で送信される。別方向に移動する信号においては、ファイバファンアウト５３３は、導波路５３６から送信された信号をファイバ５０６中の第１のコアへ導き、導波路５３７から送信された信号をファイバ５０６中の第２のコアへ導く。
【０１３７】
ＷＤＭカプラ５３４は、ファイバ５０３−ａからの入力信号をファイバ５３６へ導き、ファイバ５０３−ｂからの入力信号をファイバ５３６へ導く。別方向に移動する信号においては、ＷＤＭカプラは、ファイバ５３６からの第１の波長を有する入力信号をファイバ５０３−ａへ導き、ファイバ５３６からの第２の波長を有する入力信号をファイバ５０３−ｂへ導く。
【０１３８】
ファイバファンアウト５３３は、第１のシングルモード導波路５０３−ａおよび第２のシングルモード導波路５０３−ｂをマルチコア導波路５０６中の第１のコアに光学的に結合するように構成される。ファイバファンアウトは、第３のシングルモード導波路５０４−ａおよび第４のシングルモード導波路５０４−ｂをマルチコア導波路５０６中の第２のコアに光学的に結合するなどをするように構成される。
【０１３９】
図６は、実施形態に係る量子通信システムの概略図である。システムは、量子送信機と、２つの空間多重化ユニットと、量子受信機と、を含む。古典通信は、例えばＷＤＭを使用して、一方向または双方向で送信されることができる。
【０１４０】
通信システムは、量子送信機６０１および古典通信デバイス６０２を含む。量子送信機６０１は第１の導波路６０３に光学的に結合され、古典通信デバイス６０２は第２の導波路６０４に光学的に結合される。第１の導波路６０３および第２の導波路６０４は第１の多重化コンポーネント６０５に光学的に結合される。また、第３の導波路６０６は第１の多重化コンポーネント６０５に光学的に結合される。第３の導波路６０６は異なる空間チャネルに沿った異なる信号の伝送を可能にするように構成される。第３の導波路６０５は複数の空間チャネルを含む。第１の多重化コンポーネント６０５は、第１の導波路６０３を第３の導波路６０６中の第１の空間チャネルに、第２の導波路６０４を第３の導波路６０６中の第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成される。
【０１４１】
第３の導波路６０６は、さらに、第２の多重化コンポーネント６０７に光学的に結合される。通信システムは量子受信機６１０および古典通信デバイス６１１をさらに含む。量子受信機６１０は第４の導波路６０８に光学的に結合され、古典通信デバイス６１１は第５の導波路６０９に光学的に結合される。第４の導波路６０８および第５の導波路６０９は、第２の多重化コンポーネント６０７に光学的に結合される。第２の多重化コンポーネント６０７は、第４の導波路６０８を第３の導波路６０６中の第１の空間チャネルに、第５の導波路６０９を第３の導波路６０６中の第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成される。
【０１４２】
一実施形態では、第３の導波路６０６はマルチコアファイバである。第１の多重化ユニット６０５および第２の多重化ユニット６０７はファイバファンアウトであってもよい。
【０１４３】
古典通信デバイス６０２が古典信号の源を含み、古典通信デバイス６１１が古典受信機を含む場合、古典送信機６０２は、古典信号を光導波路６０４へ送信する。信号は空間多重化ユニット６０５に入力される。空間多重化ユニット１０５は、第２の空間チャネルでファイバリンク６０６へ信号を導く。古典信号はファイバリンク６０６中の第２の空間チャネルに沿って送信され、空間多重化ユニット６０７によって光導波路６０９へ導かれる。そして、信号は古典受信機６１１によって受信される。
【０１４４】
古典通信デバイス６１１が古典信号の源を含み、古典通信デバイス６０２が古典受信機を含む場合、古典送信機６１１は、古典信号を光導波路６０９へ送信する。信号は空間多重化ユニット６０７に入力される。空間多重化ユニット６０７は、第２の空間チャネルでファイバリンク６０６へ信号を導く。古典信号はファイバリンク６０６中の第２の空間チャネルに沿って送信され、空間多重化ユニット６０５によって光導波路６０４へ導かれる。信号は古典受信機６０２によって受信される。
【０１４５】
量子送信機６０１は、量子信号を光導波路６０３へ送信する。信号は第１の空間多重化ユニット６０５に入力される。第１の空間多重化ユニット６０５は、第１の空間チャネルでファイバリンク６０６へ信号を導く。量子信号はファイバリンク６０６中の第１の空間チャネルに沿って送信され、第２の空間多重化ユニット６０７によって光導波路６０８へ導かれる。信号は量子受信機６１０によって受信される。
【０１４６】
一実施形態では、第２のファイバファンアウト６０７に接続される代わりに、マルチコアファイバ６０６は他端でマルチコアスプリッタに接続される。マルチコアスプリッタでは、マルチコア導波路中の第１のコアから入力された光は、複数のマルチコア導波路中の第１のコアへ出力される。マルチコア導波路中の第２のコアから入力された光は、複数のマルチコア導波路中の第２のコアへ出力される。
【０１４７】
マルチコアスプリッタは、他のマルチコア導波路中で１つのコアからいくつかの他のコアへと光を結合するためにエバネセント結合を使用する。コアのまわりのクラッディングの厚さは縮小され、２以上のコアが密に接触して配置される。接触領域では、光は、振動によって第１のマルチコアファイバ中の第１のコアから他のマルチコアファイバ中の第１のコアへエバネセント結合され、すなわち、結合領域の長さは、どれだけの光が１つのコアから他のコアへ結合されるかを決定する。結合領域の長さは分割比を決定する。結合領域の長さは、例えば、光の５０％が１つの導波路から他の導波路へ結合されるようにされることができる。
【０１４８】
一実施形態では、マルチコアスプリッタはフォトニックチップ上に実装される。フォトニックチップ上のいくつかのマルチコア導波路は、接触領域で光が１つの導波路から他の導波路へエバネセント結合されるように、互いに密に接触して配置される。
【０１４９】
実施形態では、マルチコアスプリッタは、カスケード的に一緒に接続された複数の１×２マルチコアスプリッタおよび／または２×２マルチコアスプリッタを含む。
【０１５０】
あるいは、マルチコアスプリッタは、光がＭ個のマルチコア導波路からＮ個のマルチコア導波路へ結合されるように、密に接触して配置されたＭ個の入力マルチコア導波路およびＮ個の出力マルチコア導波路を有する単一マルチコアスプリッタを含んでいてもよい。
【０１５１】
一実施形態では、マルチコアスプリッタは、２つのマルチコア導波路が１つの導波路から他の導波路に光を結合するために交差される光クロスカプラである。
【０１５２】
あるいは、マルチコアスプリッタの代わりに、マルチコアファイバ６０６は、複数のマルチコアファイバの異なるコアへ信号を再び結合するために、複数の光ビームスプリッタおよび複数のファイバファンアウトが後続するように、さらなるファイバファンアウトへの他端で接続される。これらの要素はすべて、例えば、単一のフォトニックチップ上に集積されてもよい。
【０１５３】
システムは、各々が量子送信機６０１および古典通信デバイス６０２を有する複数のユニットと、量子受信機６１０および古典通信デバイス６１１を有する単一のユニットと、を含んでいてもよい。
【０１５４】
量子送信機６０１の各々および古典通信デバイス６０２の各々は、図６に示されるのと同じ方法で、ファイバファンアウトに接続される。各ファイバファンアウト６０５はマルチコア導波路６０６に接続される。ファイバファンアウトは、マルチモード導波路６０６中の第１のコアを第１の導波路６０４に、マルチコア導波路６０６中の第２のコアを第２の導波路６０３に光学的に結合する。
【０１５５】
各マルチコア導波路６０６はマルチコアスプリッタに光学的に結合される。量子受信機６１０および古典通信デバイス６１１は、第２のマルチコアファイバによってマルチコアスプリッタに光学的に結合される。第１の導波路６０９は、ファイバファンアウト６０７と古典通信デバイス６１１との間を接続し、第２の導波路６０８は、ファイバファンアウト６０７と量子受信機６１０との間を接続する。ファイバファンアウト６０７は、第２のマルチモード導波路中の第１のコアを第１の導波路６０９に、第２のマルチコア導波路中の第２のコアを第２の導波路６０８に光学的に結合する。第２のマルチコア導波路はマルチコアスプリッタに接続される。
【０１５６】
ファイバ６０６はマルチコアファイバであってもよい。空間多重化ユニット６０５および空間多重化ユニット６０７はファイバファンアウトであってもよい。
【０１５７】
図７は、実施形態に係る量子通信システムの概略図であり、この量子通信システムでは、複数の信号が複数の空間チャネルを移動する。単一の量子チャネルおよびいくつかの古典チャネルがあってもよく、あるいは、複数の量子チャネルおよび単一の古典チャネルがあってもよく、あるいは、複数の量子チャネルおよび複数の古典チャネルがあってもよい。量子送信機、量子受信機、古典送信機、古典受信機の数はより多くてもよく、それらの他の組み合わせが可能である。実施形態では、量子信号および古典信号は別個の空間チャネルに沿って送信される。
【０１５８】
通信システムは、量子受信機または量子送信機であり得る複数の量子通信デバイス７０１−１〜７０１−ｎと、古典送信機または古典受信機であり得る複数の古典通信デバイス７０２−１〜７０２−ｎと、を含む。量子通信デバイス７０１−１〜７０１−ｎは導波路７０３−１〜７０３−ｎに光学的に結合され、古典通信デバイス７０２−１〜７０２−ｎは導波路７０４−１〜７０４−ｎに光学的に結合される。導波路７０３−１〜７０３−ｎは、第１の空間多重化ユニット７０５に光学的に結合される。さらに、第３の導波路７０６は、第１の空間多重化ユニット７０５に光学的に結合される。第３の導波路７０６は、複数の異なる空間チャネルに沿った異なる信号の伝送を可能にするように構成される。各空間チャネルは、第１の空間多重化ユニット７０５を介して導波路７０３−１〜７０３−ｎまたは７０４−１〜７０４−１−ｎのうちの１つに光学的に結合される。
【０１５９】
第３の導波路７０６は、さらに、第２の空間多重化ユニット７０７に光学的に結合される。通信システムは、複数の量子通信デバイス７１０−１〜７１０−ｎおよび複数の古典通信デバイス７１１−１〜７１１−ｎを含む。量子通信デバイス７１０−１〜７０１−ｎは導波路７０８−１〜７０８−ｎに光学的に結合され、古典通信デバイス７１１−１〜７１１−ｎは、導波路７０９−１〜７０９−ｎに光学的に結合される。導波路７０８−１〜７０８−ｎおよび７０９−１〜７０９−ｎは、第２の空間多重化ユニット７０７に光学的に結合される。各空間チャネルは、第２の空間多重化ユニット７０７を介して導波路７０８−１〜７０８−ｎまたは７０９−１〜７０９−ｎのうちの１つに光学的に結合される。
【０１６０】
例えば、古典通信デバイス７０２−１が古典信号の源を含み、古典通信デバイス７１１−１が古典受信機を含む場合、古典送信機７０２−１は光導波路７０４−１へ古典信号を送信する。信号は第１の空間多重化ユニット７０５に入力される。第１の空間多重化ユニット７０５は、第１の空間チャネルでファイバリンク７０６に信号を導く。古典信号はファイバリンク７０６中の第１の空間チャネルに沿って送信され、第２の空間多重化ユニット７０７によって光導波路７０９−１へ導かれる。そして、信号は古典受信機７１１−１によって受信される。
【０１６１】
例えば、古典通信デバイス７１１−２が古典信号の源を含み、古典通信デバイス７０２−２が古典受信機を含む場合、古典送信機７１１−２は光導波路７０９−２へ古典信号を送信する。信号は第２の空間多重化ユニット７０７に入力される。第２の空間多重化ユニット７０７は、第２の空間チャネルでファイバリンク７０６に信号を導く。古典信号はファイバリンク７０６中の第２の空間チャネルに沿って送信され、第１の空間多重化ユニット７０５によって光導波路７０４−２へ導かれる。信号は古典受信機７０２−２によって受信される。
【０１６２】
例えば、量子通信デバイス７０１−１が量子送信機を含み、量子通信デバイス７１０−１が量子受信機を含む場合、量子送信機７０１−１は光導波路７０３−１へ量子信号を送信する。信号は第１の空間多重化ユニット７０５に入力される。第１の空間多重化ユニット７０５は、第３の空間チャネルでファイバリンク７０６に信号を導く。量子信号はファイバリンク７０６中の第３の空間チャネルに沿って送信され、第２の空間多重化ユニット７０７によって光導波路７０８−１へ導かれる。そして、信号は量子受信機７１０−１によって受信される。
【０１６３】
例えば、量子通信デバイス７１０−２が量子送信機を含み、量子通信デバイス７０１−２が量子受信機を含む場合、量子送信機７１０−２は光導波路７０９−２へ量子信号を送信する。信号は第２の空間多重化ユニット７０７に入力される。第２の空間多重化ユニット７０７は、第４の空間チャネルでファイバリンク７０６に信号を導く。量子信号はファイバリンク７０６中の第４の空間チャネルに沿って送信され、第１の空間多重化ユニット７０５によって光導波路７０３−２へ導かれる。信号は量子受信機７０１−２によって受信される。
【０１６４】
ファイバ７０６はマルチコアファイバであってもよい。空間多重化ユニット７０５および空間多重化ユニット７０７はファイバファンアウトであってもよい。
【０１６５】
図８は、実施形態に係る量子通信システムの概略図であり、この量子通信システムでは、量子送信機８０１および量子受信機８１０は非対称マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）に基づいている。
【０１６６】
量子送信機８０１および量子受信機８１０は、ファイバ８０３、空間多重化ユニット８０５、ファイバ８０６、空間多重化ユニット８０７およびファイバ８０８を介して光学的に結合される。ファイバ８０６は少なくとも２つの空間チャネルを含む。量子送信機８０１および量子受信機８１０は第１の空間チャネルを介して光学的に結合される。古典通信デバイス８０２および古典通信デバイス８１１は、ファイバ８０４、空間多重化ユニット８０５、ファイバ８０６中の第２の空間チャネル、空間多重化ユニット８０７およびファイバ８０９を介して光学的に結合される。これは古典チャネルと総称されることもある。
【０１６７】
ファイバ８０６はマルチコアファイバであってもよい。空間多重化ユニット８０５および空間多重化ユニット８０７はファイバファンアウトであってもよい。
【０１６８】
空間多重化ユニット８０５は、導波路８０３を導波路８０６中の第１の空間チャネルに、導波路８０４を導波路８０６中の第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成される。空間多重化ユニット８０７は、導波路８０８を導波路８０６中の第１の空間チャネルに、導波路８０９を導波路８０６中の第２の空間チャネルに光学的に結合するように構成される。
【０１６９】
量子送信機８０１内の光子源８３８は光のパルスからなる量子信号を生成する。パルスは非対称ＭＺＩ８３９を使用して符号化される。パルスはビームスプリッタ８１２へ導かれる。ビームスプリッタ８１２の１つの出力は位相変調器８１６に接続される。位相変調器８１６の出力は偏光ビーム結合器８１７に接続される。これは、干渉計のショートアーム８１３を形成する。ビームスプリッタ８１２の他の出力はファイバループ８１５に接続され、ファイバループ８１５は偏光ビーム結合器８１７に接続される。これは、干渉計のロングアーム８１４を形成する。ロングアーム８１４を移動する光パルスは、ショートアーム８１３を移動する光パルスに対して遅延される。
【０１７０】
量子送信機８０１は、光パルスの強度を変えるように構成された強度変調器をさらに含んでもよい。強度変調器は、デコイ状態ＱＫＤプロトコルを実現するように構成されることができ、デコイ状態ＱＫＤプロトコルでは、送信機および受信機が異なる強度で安全に受信されたパルスの数を測定することで盗聴者の存在を決定することを可能にする異なる強度のパルスが送信される。量子送信機８０１は２以上の強度変調器を含んでいてもよい。
【０１７１】
位相変調器８１６は、ショートアーム８１３を移動する光パルスの位相に変調を適用するように構成される。位相変調器は、屈折率が電場強度の関数である結晶、例えばＬｉＮｂＯ３結晶を含むことができる。あるいは、位相変調は、受動的手段、例えば、各々が異なる固定位相差を適用するように構成された複数の固定位相要素およびこれらのコンポーネントの各々を選択するように構成されたスイッチによって提供されることができる。
【０１７２】
干渉計のショートアーム８１３からの光パルスの偏光は、第１の偏光から第１の偏光と直交する第２の偏光へとビーム結合器８１７によってフリップされる（flipped）。これにより、量子送信機８０１は、ファイバ８０３を下って移動する選択された位相差および直交偏光を有するコヒーレント二重パルスを生成する。
【０１７３】
量子光パルスは、量子送信機８０１を出て、ファイバ８０３を介して空間多重化ユニット８０５に送信される。空間多重化ユニット８０５は、ファイバ８０３から入力された信号を第１の空間チャネルでファイバ８０６に送信する。量子信号は、ファイバ８０６の第１の空間チャネルを介して空間多重化ユニット８０７に送信される。空間多重化ユニット８０７は、第１の空間チャネルから入力された信号をファイバ８０８へ送信する。
【０１７４】
量子受信機８１０では、偏光コントローラ８１８は、パルスの偏光の任意のずれを修正する。続いて、パルスは非対称ＭＺＩ８２１を使用して復号される。干渉計８２１のショートアーム８２４は、前述したような位相変調器８２６を含む。干渉計のロングアーム８２３は、送信機内のファイバループ８１５と正確に合致するファイバループ８２５を含む。ロングアーム８２３およびショートアーム８２４は各々、偏光ビームスプリッタ８２２の出力のうちの１つおよびビームスプリッタ８２７の入力のうちの１つに接続される。
【０１７５】
偏光ビームスプリッタ８２２は、干渉計のロングアーム８２３を下って第２の偏光を有して入射する光パルス、およびショートアーム８２４を下って第１の偏光を有して偏光ビームスプリッタに入射する光パルスを送る。第２の偏光を有して偏光ビームスプリッタ８２２を通過するパルスの偏光は、第１の偏光にフリップされる。
【０１７６】
ビームスプリッタ８２７の出力は光子検出器８２８および８２９に接続される。送信機８０１および受信機８１０において適用された位相変調に応じて、信号は光子検出器８２８および光子検出器８２９のいずれかで検出されることになる。光子検出器８２８および８２９は、アバランシェフォトダイオードに基づいていることができるゲート単一光子検出器、特にＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードに基づいていることができるゲート単一光子検出器であってもよい。
【０１７７】
位相変調器８１６および位相変調器８２６を使用することによって、ＢＢ８４などの量子鍵配送プロトコルを実現することができる。ＢＢ８４プロトコルでは、（送信機８０１の）アリスは、等間隔を置いた４つの位相値から位相値をランダムに選択する。例えば、アリスは、０、π/２、πおよび３π/２の位相シフトに対応する４つの異なる値のうちの１つに位相変調器８１６をランダムにセットすることができる。０およびπは第１の符号化基底のビット０および１に対応付けられ、π/２および３π/２は第２の符号化基底の０および１に対応付けられる。
【０１７８】
（受信機８１０の）ボブは、０またはπ/２の位相シフトに対応する２つの値のうちの１つに位相変調器８２６をランダムにセットすることができる。これは第１の測定基底と第２の測定基底との間の選択を意味する。言い換えると、アリスの０およびπ値はボブの０値（第１の基底）に適合し、アリスのπ/２および３π/２値はボブのπ/２値（第２の基底）に適合する。
【０１７９】
０の位相差（すなわち、アリスによって適用された位相シフトが０であり且つボブによって適用された位相シフトが０である、または、アリスによって適用された位相シフトがπ/２であり且つボブによって適用された位相シフトがπ/２である）は、検出器８２８での検出となる。他方では、πの位相差（すなわち、アリスによって適用された位相シフトはπであり且つボブによって適用された位相シフトが０である、または、アリスによって適用された位相シフトが３π/２であり且つボブによって適用された位相シフトがπ/２である）がある場合、検出器８２９での検出がある。２つの位相変調器で適用された位相変調間の差の他の値に関しては、光子が検出器８２８または検出器８２９で出力する有限の確率がある。
【０１８０】
アリスもボブも、自身の値を選択するときには相手がどの値を選択したかまたは選択するかを知らない。単に後になって、それらは、同じ基底を使用したかどうかを比較し、続いて、同じ基礎を使用した場合に最終鍵のために値を使用するだけである。異なる基底を使用して実行された測定の結果は廃棄される。このプロセスはふるい分け（sifting）として知られている。
【０１８１】
鍵を形成するために、ふるい分けプロセスは、古典通信デバイス８１１と古典通信デバイス８０２との間での時間到着および復号基底の通信によって開始される。検出された光子の各々についてこのプロセスを繰り返して、例えば少なくとも数千ビットの長さを有するふるい分けされた鍵シーケンスが形成される。その後に、誤り訂正およびプライバシー増幅プロセスは、特定の送信機および受信機の対の間で完全に秘密な鍵を抜き出す（distil）ために使用される。誤り訂正およびプライバシー増幅は、古典通信デバイス８１１と古典通信デバイス８０２との間での古典チャネル上の通信をさらに含む。
【０１８２】
古典通信デバイス８０２が古典送信機を含み、古典通信デバイス８１１が古典受信機を含む場合、古典送信機８０２は導波路８０４へ古典信号を送信する。信号は空間多重化ユニット８０５に入力される。空間多重化ユニット８０５は第２の空間チャネルでファイバリンク８０６に信号を導く。古典信号はファイバリンク８０６中の第２の空間チャネルに沿っ送信され、空間多重化ユニット８０７によって光導波路８０９へ導かれる。そして、信号は古典受信機８１１によって受信される。
【０１８３】
古典通信デバイス８１１が古典送信機を含み、古典通信デバイス８０２が古典受信機を含む場合、古典送信機８１１は光導波路８０９へ古典信号を送信する。信号は空間多重化ユニット８０７に入力される。空間多重化ユニット８０７は第２の空間チャネルでファイバリンク８０６に信号を導く。古典信号はファイバリンク８０６中の第２の空間チャネルに沿って送信され、空間多重化ユニット８０５によって光導波路８０４へ導かれる。信号は古典受信機８０２によって受信される。
【０１８４】
図８のシステムは、ＢＢ８４プロトコルを使用してＱＫＤネットワークを実施する方法の例である。他の量子通信プロトコルおよび光学セットアップは、図１（ａ）および（ｂ）に示されるような構成、例えば、コヒーレントワンウェイ（coherent-one-way）プロトコルまたは差動位相シフト（differential phase shift）プロトコルを使用して実施されることができる。ツーウェイ（two-way）ＱＫＤシステム（レーザパルスがボブによって出され、アリスで変調および減衰され、次にボブに送り返されて検出される）はまた、図１（ａ）および（ｂ）に示されるような構成を使用して実施されることができる。
【０１８５】
複数の量子送信機、複数の量子受信機および複数の古典通信デバイスは、導波路８０６、空間多重化ユニット８０５および８０７によって接続されてもよい。しかしながら、簡単化のために、１つの量子送信機、１つの量子受信機および２つの古典通信デバイスだけが図示されている。
【０１８６】
システムは単一クロック周波数で作動してもよい。同期チャネルは、古典チャネル、すなわち、光導波路８０９、空間多重化ユニット８０７、ファイバリンク８０６中の第２の空間チャネル、空間多重化ユニット８０５および光導波路８０４によって実現される。同期信号（例えばクロック信号）は同期チャネルに沿って送信されてもよい。あるいは、システムクロックは、専用の同期信号を送信することなしに、量子受信機側から古典チャネルで送信されたデータから量子送信機側で生成されることができる。あるいは、システムクロックは、専用の同期信号を送信することなしに、量子送信機側から古典チャネルで送信されたデータから量子受信機側で生成される。
【０１８７】
実施形態では、受信機内のタイミング制御モジュール（図示せず）は、量子送信機８０１および量子受信機８１０が同期されるマスタークロック信号を提供する。実施形態では、送信機内のタイミング制御モジュール（図示せず）は、量子送信機８０１および量子受信機８１０が同期されるマスタークロック信号を提供する。
【０１８８】
システムが共通の受信機と通信する複数の量子送信機を含む場合、複数の量子送信機は、任意の受信機クロック周期で高々１つの送信機が量子情報で符号化されたパルスを送信することを許可され、受信機がどの送信機が受信パルスを送信したかを識別することができるように、同期されることができる。
【０１８９】
共通の受信機と通信する複数の量子送信機がある場合、例えば、複数の送信機が異なる場所に物理的にあり、各送信機が他の送信機に知られていない受信機との秘密鍵を生成するときに、時分割多重が信号を結合するために使用されてもよい。あるいは、例えば、複数の量子送信機が同じ場所にある場合、ＷＤＭは複数の量子送信機からの量子信号を一緒に多重化するために使用されてもよい。
【０１９０】
受信機内のタイミング制御モジュール（図示せず）は、システムマスタークロックを提供してもよい。量子受信機８１０内の位相変調器８２６およびゲート検出器８２９、８２８は、マスタークロックと同期されることができる。マスタークロック信号はまた、古典通信デバイス８０２に送信され、量子送信機８０１内の源８３８および位相変調器８１６を駆動するために使用されてもよい。マスタークロックはまた、光子到着のための時間基準を供給してもよい。あるいは、タイミング制御モジュールは送信機内にあってもよく、マスタークロック信号は受信機に送信されてもよい。量子送信機８０１内の源８３８および位相変調器８１６は、マスタークロックと同期されてもよい。マスタークロック信号はまた、古典通信デバイス８１１に送信され、量子受信機８１０内の位相変調器８２６およびゲート検出器８２９、８２８を駆動し、光子到着のための時間基準を供給するために使用されてもよい。
【０１９１】
マスタークロックは、量子受信機８１０内の単一光子検出器の速度によって決定されてもよい。例えば、自己差分ＩｎＧａＡｓＡＰＤベースの単一光子検出器に関しては、マスタークロックは１ＧＨｚ以上で動作されることができる。マスタークロックは、送信機および検出器と同じ周波数にある必要はないが、より低い、例えば、２５０ＭＨｚまたは１０ＭＨｚであることができる。
【０１９２】
トリガー信号は、送信機ユニット内の制御ユニットでマスタークロック信号から生成され、源８３８を駆動するために使用されてもよい。各トリガーパルスの間に、源８３８は１つの光パルスを出力する。強度変調器は、パルスごとに各パルスの強度を変調することができる。あるいは、直接変調は、光子源８３８に適用される駆動信号の振幅を変えることにより実現されることができる。
【０１９３】
続いて、光パルスはマッハツェンダー干渉計８３９に供給される。マッハツェンダー干渉計８３９の２つのアーム間の長さ差は、光学伝搬遅延ｔｄｅｌａｙに対応する。ロングアーム８１４を移動する光子は、干渉計８３９の出口においてショートアーム８１３を移動する光子よりも時間ｔｄｅｌａｙ遅延される。
【０１９４】
送信機ユニット内の制御ユニットからのトリガー信号はまた、光パルスが存在するときに位相変調が適用されるように、位相変調器８１６を制御するために使用されてもよい。
【０１９５】
続いて、量子光パルスは量子受信機８１０へ送信される。信号パルスは干渉計８２１へ供給される。偏光ビームスプリッタ８２２は、直交偏光を有する入射パルスを分割する。位相変調器８２６は、同様に、マスタークロック信号を使用して光子の到着時間と同期されてもよい。
【０１９６】
偏光コンポーネントの使用により、理想的な場合には、符号化干渉計８１１の入口から復号干渉計８２１の出口まで移動する信号パルスについて下記２つのルートだけがある。
i． ロングアーム８１４−ショートアーム８２４（Ｌ−Ｓ）
ii．ショートアーム８１３−ロングアーム８２３（Ｓ−Ｌ）
初期調整においては、可変遅延線は、干渉計のうちの１つに含まれていてもよく、数ピコ秒であり得る信号レーザーコヒーレンス時間内でルート（i）および（ii）に沿った伝播時間がほとんど等しくなるように調整されることができる。
【０１９７】
マスタークロック信号はまた、干渉を経験する光子、すなわち、１つの干渉計のショートアームおよび他の干渉計のロングアームを移動する光子の到着中に検出器がゲーティングされるように、検出器を制御するために使用されてもよい。
【０１９８】
非理想的な偏光により、いくつかの光子は、両方のショートアームまたは両方のロングアームを移動し、それにより、干渉する光子と±ｔｄｅｌａｙの時間遅延で検出器８２８および８２９に到着する。これらの干渉しない光子は鍵生成または鍵レートに寄与しない。したがって、これらの光子の検出結果は廃棄されるべきである。
【０１９９】
干渉する光子の混入を回避するために、適切なｔｄｅｌａｙは、（１）ｔｄｅｌａｙが検出器時間分解能より長いこと、および（２）ｔｄｅｌａｙが受信機のシステムクロック周期より短いことを保証するように選択されてもよい。一実施形態では、ｔｄｅｌａｙはシステムクロック周期の半分である。例えば、１ＧＨｚの受信機では、ｔｄｅｌａｙは５００ピコ秒である。
【０２００】
量子通信中に、非対称マッハツェンダー干渉計間のアーム長整合（arm length matching）、光子偏光および光子到着時を含む多くの物理的パラメータは、能動的に安定化されることができる。
【０２０１】
能動的安定化は、フィードバック信号を生成するように構成された量子受信機のフィードバック制御ユニットによって実現されることができる。このフィードバック信号は、古典通信デバイス８１１によって古典通信デバイス８０２に送信される。続いて、量子送信機８０１内の制御ユニット（図示せず）は、フィードバック信号に基づいて量子送信機の１または複数のコンポーネントを制御する。
【０２０２】
あるいは、能動的安定化は、フィードバック信号を生成しない量子受信機の制御ユニットによって実現されることができる。量子受信機内の制御ユニット（図示せず）は、例えば、安定化パルス計数に基づいて量子受信機の１または複数のコンポーネントを制御する。検出器のタイミング、位相変調器、干渉計の位相および偏光は、例えば、安定化パルス計数に基づいて制御ユニットによって調節される。フィードバック信号を送信する必要はない。
【０２０３】
アーム長の能動的安定化、すなわち、アーム長整合は、古典通信デバイス８１１から古典チャネルを通じて送信されたフィードバック信号に基づいて、送信機干渉計８３９内の調節可能な位相遅延を能動的に調節することによって実現されることができる。フィードバック信号は量子ビット誤り率（ＱＢＥＲ）であることができる。これは調節可能な位相遅延を調節することによって最小化されることができる。言い換えると、制御ユニットは、ＱＢＥＲを最小化するために、ＱＢＥＲフィードバック信号が受信されるごとに調節可能な位相遅延を調節する。ＱＢＥＲは、各誤り訂正処理の後にだけ送信機に送信するために利用可能である。ＱＢＥＲを決定する際のレイテンシは、アーム長の単に遅い変化の補償を可能にする。
【０２０４】
代替の実施形態では、信号／デコイパルスのごく一部分を代用して、送信機から量子チャネルを通じて強い基準パルスを送信することによって、より速い補償を達成することができる。これらの基準パルスは位相変調されず、従って、基準パルスの干渉度は、アーム長整合の状況を示すことになる。基準パルスの検出結果は、調節可能な位相遅延を調節するためにフィードバックとして使用されるために、古典チャネルを通じて送信機に送信されることができる。
【０２０５】
調節可能な位相遅延は制御要素として働く。それは、圧電アクチュエータによって駆動されるファイバストレッチャーであってもよい。
【０２０６】
あるいは、２つの遅延は、２つの干渉計内のファイバの長さを注意深く制御することによってバランスをとられることができる。２つの光学経路の位相長の微調節は、送信機内の位相変調器においてＤＣバイアスを調節することによって、または、位相変調器に適用される駆動信号にＡＣオフセットを加えることによって、達成されることができる。
【０２０７】
あるいは、アーム長整合は、基準パルスのＱＢＥＲまたは検出結果に基づいて、受信機内のコンポーネント、例えば、調節可能な位相遅延または位相変調器の調節によって実現されることができる。この場合、フィードバック信号を送信する必要はない。
【０２０８】
一実施形態では、偏光ドリフトは、偏光コントローラ８１８を使用して能動的に安定化されることができる。理想的には、エンコーダおよびデコーダを通過する光子はすべて、ビームスプリッタ８２７で干渉を経験し、鍵形成に寄与する。しかしながら、ファイバ８０３、８０６および８０８中での偏光ドリフトは、２つの干渉計の両方のロングアームまたは両方のショートアームを通過する光子のように、光子を干渉しない経路に向かわせる。これらの干渉しない光子は鍵形成に寄与しない。それらは、ゲート光子検出器の場合には自動的に拒絶されることができ、あるいは、フリーランニング単一光子検出器を有する検出器サブシステムにおいてタイミング識別ウィンドウを使用して拒絶されることができる。いずれの場合も、偏光ドリフトは、干渉する光子の光子計数率を低減する。偏光コントローラの調節によってこの計数率を最適化することによって、このドリフトは修正されることができる。言い換えると、計数率は、古典通信デバイス８１１から古典通信デバイス８０２に送信される。その後に、制御ユニットは計数率を最大化するために偏光コントローラ８１８を調節する。
【０２０９】
あるいは、偏光コントローラが受信機内にある場合、それは、フィードバック信号が送信されることなしに、計数率に基づいて調節されることができる。
【０２１０】
検出器８２９および８２８での光子到着時間は、光子検出結果に基づいて、光子源８３８のトリガー時間を調節することによって修正されることができる。あるいは、検出器のゲーティングは、フィードバック信号が送信されることなしに、光子検出結果に基づいて調節されることができる。
【０２１１】
図９は、量子鍵が古典データ信号を暗号化するためにどのように使用されるかを説明する流れ図である。
【０２１２】
ＱＫＤシステムでは、同期および古典データ信号は、鍵を生成する量子信号とともに連続的に送信されることができる。
【０２１３】
ステップＳ９０１では、ＱＫＤシステムはアクティブにされる。
【０２１４】
ステップＳ９０２では、量子リンクは、古典チャネルで量子送信機と量子受信機との間で認証を実行することによってアクティブにされる。
【０２１５】
ＱＫＤリンクの認証を実行するために、暗号鍵は送信機および受信機に予め格納されることができる。この鍵はＱＫＤリンクを安全に開始するために使用される。
【０２１６】
あるいは、ＲＳＡなどの公開鍵暗号方法が使用されることができる。一実施形態では、攻撃者が最初に交換されたデータを解読するのに要する時間がＱＫＤリンクを確立し最初のセキュアな鍵を交換するのに要する時間よりも長い場合に、ＲＳＡは使用される。一旦最初の鍵が交換されると、攻撃者が後で最初のデータを解読したとしても、これらの鍵は認証に使用され、ＱＫＤリンクはセキュアである。
【０２１７】
あるいは、信頼された配達人（courier）は最初の秘密鍵を確立するために使用される。予め格納された鍵を有する代わりに、ＱＫＤリンクを開始するために、人がアリスからボブへまたはボブからアリスへ鍵を物理的に運ぶ。
【０２１８】
認証は古典チャネル上で実行される。認証によって、アリスおよびボブは、他者とではなく互いに通信することを確信することができる。これは、イブがアリスおよびボブのいずれかのふりをし、それによりＱＫＤを安全でないものにすることを防止する。最初の起動では、ＱＫＤリンクが充分な鍵を生成するまで、予め格納された鍵が認証に使用されることができる。例えば、アリスおよびボブのデバイスの製造業者は、最初の認証に使用されるある長さの鍵を両方のデバイスに格納してもよい。アリスおよびボブだけがこの秘密鍵を知っているので、それらは、互いに通信することを確認するためにそれを使用することができる。認証は、例えば、秘密鍵と組み合わせてハッシュ関数を使用することによって実行されてもよい。
【０２１９】
認証は、交換されるデータパケットごとに実行されることができる。言い換えると、認証は、生成されたセキュアな鍵のごく一部分を連続的に使用して実行されることができる。
【０２２０】
認証が成功する場合、ステップＳ９０３では、受信機および送信機は、量子チャネルをセットアップするために自動起動手順を実行する。量子受信機および量子送信機は時間調整される必要があり、位相および偏光は正しく設定されなければならない。これは古典チャネルでの通信によって達成される。ボブおよびアリスがこの情報を暗号化したい場合、それは、上述したように、予め格納された鍵を使用して暗号化されてもよい。
【０２２１】
調整が達成された後に、ＱＫＤは古典通信と並行して連続的に作動する。ステップＳ９０４（セキュアな鍵送信）、ステップＳ９０５（古典データの暗号化および送信）、ステップＳ９０７（古典データの解読）、およびステップＳ９０６（ＱＫＤ制御送信、すなわち、フィードバック制御、同期、セキュアな鍵のふるい分け（secure key sifting）、誤り訂正およびプライバシー増幅を含むＱＫＤ制御信号の送信）はすべて、並列に連続的に実行されることができる。Ｓ９０４で生成された鍵は、メモリに格納され、古典通信に使用される。アリスおよびボブのいずれかがあるデータを送信したい場合、それらは鍵の一部を取って、ステップＳ９０５でデータを暗号化し送信し、受信機がステップＳ９０７で同じ鍵を使用してそれを解読する。
【０２２２】
ステップＳ９０４のセキュアな鍵送信は、鍵を形成するために、量子送信機から量子受信機へ送信される量子信号に対応する。鍵は、上述したＢＢ８４プロトコルまたは代替のプロトコルを使用して形成されてもよい。
【０２２３】
Ｓ９０４で生成された暗号鍵は、Ｓ９０５において古典データを暗号化するために使用される。暗号鍵はまた、ステップＳ９０６においてＱＫＤ制御信号の送信を暗号化するために使用されてもよい。
【０２２４】
一実施形態では、古典データはワンタイムパッド暗号化で暗号化される。データはデータと同じ長さの鍵を用いて暗号化される。暗号鍵が後に再使用されず秘密のままである場合、暗号化は、無条件にセキュアであり、盗聴者によって解読されることはできない。さらなる実施形態では、データの長さより短い暗号鍵が使用される。暗号化は高度暗号化標準（ＡＥＳ；advanced encryption standard）に基づいていてもよい。
【０２２５】
鍵は、暗号化およびアリスとボブとの間で送信される古典データの認証などの後続の暗号タスクに使用されることができる。
【０２２６】
ＱＫＤリンクが使用可能である場合、さらなる鍵が必要に応じて生成される。これらの鍵は、ＱＫＤシステムの動作および送信される必要のある暗号化されたデータに使用される。一実施形態では、例えば電子メール通信といった重要なデータだけが暗号化され、ウェブサイト情報またはビデオなどの他の通信は暗号化されない。
【０２２７】
古典データはステップＳ９０５において送信される。これは、アリスからボブへおよび／またはボブからアリスへ送信される古典信号に対応する。
【０２２８】
続いて、古典データはステップＳ９０７において解読される。
【０２２９】
古典データの暗号化および解読は並列に実行されることができる。受信者は１つのメッセージを解読している間に、送信機は同時に次のメッセージを暗号化することができる。セキュアな鍵は同様に解読のために使用される。
【０２３０】
特定の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。実際、ここに説明される新規な方法および装置は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、ここに説明される方法および装置の形態において種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。添付された特許請求の範囲とその均等は、発明の範囲および意図に含まれる変形を含むように意図される。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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