(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ個の送信機と受信機とを備える通信システムであって、前記ｎは少なくとも２の整数であり、
前記ｎ個の送信機の各々は、光源と符号器とを備え、前記光源から放射されて前記符号器で符号化された光パルスを出力するように構成され、
前記受信機は、第１の素子を備え、
前記通信システムは、タイミング回路をさらに備え、
前記タイミング回路は、前記ｎ個の送信機のうちの２つの送信機からそれぞれ出力された光パルスが前記第１の素子で干渉するように、前記２つの送信機からそれぞれ出力された前記光パルスを同期させるように構成されており、
前記ｎ個の送信機の各々は、該送信機からの前記光パルスを停止させるように構成された抑制素子をさらに備え、前記通信システムは、第１の動作モードと第２の動作モードとの間で切替え可能であり、前記ｎ個の送信機の各々の前記抑制素子は、前記第１の動作モードでは、前記２つの送信機が前記光パルスをそれぞれ出力するように、前記第２の動作モードでは、前記ｎ個の送信機のうちの１つの送信機が光パルスを出力するように、前記ｎ個の送信機のうちの前記光パルスを出力する送信機以外の送信機からの前記光パルスを停止させるように制御される、通信システム。
【請求項２】
前記受信機は、第１のセンサと第２のセンサとをさらに備え、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサの各々は、前記第１の素子からの光パルスを受け取り、測定基底を使用して前記受け取った光パルスの測定を行う復号器を備え、前記第１のセンサで使用される第１の測定基底は、前記第２のセンサで使用される第２の測定基底とは異なる、請求項１に記載の通信システム。
【請求項３】
前記受信機は、第１のセンサと第２のセンサとをさらに備え、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサの各々は、前記第１の素子からの光パルスを受け取り、測定基底を使用して、前記受け取った光パルスの測定を行う復号器を備え、前記第１のセンサで使用される第１の測定基底は、前記第２のセンサで使用される第２の測定基底と同じか、または異なるかの間で切り替えられる、請求項１に記載の通信システム。
【請求項４】
前記測定の期間全体にわたって、前記第１の動作モードと前記第２の動作モードとが連続的に切り替えられる、請求項２又は３に記載の通信システム。
【請求項５】
前記第１の動作モードで、前記２つの送信機と前記受信機との間、および前記２つの送信機の間に第２の通信チャネルが提供され、前記第２の通信チャネルは従来の通信チャネルである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の通信システム。
【請求項６】
前記第１の動作モードで、前記２つの送信機と前記受信機との間、および前記２つの送信機の間に第２の通信チャネルが提供され、前記第２の通信チャネルは従来の通信チャネルであり、
前記受信機は、光子を検出する４つの検出器を備え、前記４つの検出器のうちの２つは、前記第１のセンサの前記復号器に含まれ、前記４つの検出器のうちの他の２つは、前記第２のセンサの前記復号器に含まれ、
前記第１の動作モードで、前記受信機は、前記４つの検出器のうちの２つの検出器で光子を同時に検出したときの測定の結果を前記第２の通信チャネルを介して通信するように構成され、前記２つの送信機は、光子が前記第１のセンサおよび前記第２のセンサで同時に検出された場合、使用した前記測定基底を表す情報を前記第２の通信チャネルを介して通信するように構成されている、請求項３に記載の通信システム。
【請求項７】
前記第１の動作モードにおいて、前記受信機は、ベル状態測定がうまく実行された場合、それらの測定の前記結果を前記第２の通信チャネルを介して通信するように構成されている、請求項６に記載の通信システム。
【請求項８】
前記第２の動作モードにおいて、前記１つの送信機と前記受信機との間に第２の通信チャネルが提供され、前記第２の通信チャネルは従来の通信チャネルである、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の通信システム。
【請求項９】
前記ｎ個の送信機と前記受信機との間に前記光パルスを伝送するための量子チャネルが設けられている、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の通信システム。
【請求項１０】
前記符号器は、偏光を使用して前記光パルスを符号化するように構成され、
前記第１の素子は、ビームスプリッタを備える、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の通信システム。
【請求項１１】
前記符号器は、偏光を使用して前記光パルスを符号化するように構成され、
前記第１の素子は、ビームスプリッタを備え、
前記第１の測定基底と前記第２の測定基底との間に４５度の回転がある、請求項２に記載の通信システム。
【請求項１２】
偏光回転子をさらに備え、前記偏光回転子は、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサの一方の前記測定基底を変更するように構成されている、請求項３に記載の通信システム。
【請求項１３】
前記符号器は、位相を使用して前記光パルスを符号化するように構成され、
前記第１の素子は、ビームスプリッタを備える、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の通信システム。
【請求項１４】
前記ｎは少なくとも３の整数であり、前記第１の動作モードで前記ｎ個の送信機から送信機のペアを選択するように構成されている、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の通信システム。
【請求項１５】
通信システムのための受信機であって、
前記受信機は、第１の素子を備え、前記第１の素子は、前記第１の素子に同時に到着する２つの光パルス間に干渉を引き起こすことができ、
前記受信機は、第１のセンサと第２のセンサとをさらに備え、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサの各々は、前記第１の素子からの光パルスを受け取り、測定基底を使用して前記受け取った光パルスの測定を行う復号器を備え、前記第１のセンサは、第１の測定基底を有し、前記第２のセンサは、前記第１の測定基底とは異なる第２の測定基底を有し、前記受信機は、前記第１のセンサの前記第１の測定基底および前記第２のセンサの前記第２の測定基底が前記受信機で受信された一連のパルスに対して固定されるように構成されている、受信機。
【請求項１６】
通信システムのための送信機であって、
前記送信機は、光源と符号器とを備え、前記光源から放射されて前記符号器で符号化された光パルスのストリームを出力するように構成され、
前記送信機は、前記光パルスの一部について前記送信機の前記出力を阻止するように制御されるように構成された抑制素子をさらに備え、
前記送信機は、前記送信機の前記出力が阻止されたときに関する情報を記憶し、この情報を出力するように構成されたコントローラをさらに備える、送信機。
【請求項１７】
符号化された光パルスを準備するように構成された第１の送信機を用意することと、
符号化された光パルスを準備するように構成された第２の送信機を用意することであって、前記光パルスは、２つの測定基底のうちの一方において定義する２つの状態のうちの１つで符号化され、前記測定基底は、正しい測定基底での前記光パルスの測定が正確な結果をもたらし、他方の基底での測定が不正確な結果をもたらすことになるように選択される、第２の送信機を用意することと、
前記第１の送信機および前記第２の送信機の両方から光パルスが出力される第１の動作モードと前記第１の送信機および前記第２の送信機の一方から符号化された光パルスが出力される第２の動作モードとを切り替えることと、
前記符号化された光パルスを受信機で受信して復号することであって、前記第１の送信機および前記第２の送信機から受信された光パルスは干渉素子で干渉され、第１のセンサと第２のセンサとの少なくとも一方に向けられ、前記第１のセンサは、前記２つの測定基底の一方を使用し、前記第２のセンサは、前記２つの測定基底の他方を使用する、前記符号化された光パルスを受信機で受信して復号することと、
を備える、通信方法。
【請求項１８】
前記第１の動作モードと前記第２の動作モードとを切り替えることは、前記第１の動作モードと前記第２の動作モードとを連続的に切り替えることを含み、
前記第１の動作モードまたは前記第２の動作モードで得られた測定結果を事後的に選択することによって前記復号された光パルスから鍵を導出することをさらに備える、請求項１７に記載の通信方法。
【請求項１９】
前記第１の動作モードが、前記第１の送信機と前記第２の送信機との間の暗号鍵を抽出するために使用され、前記第２の動作モードが、前記第１の送信機と前記第２の送信機との一方と前記受信機との間の暗号鍵を抽出するために使用される、請求項１７又は１８に記載の通信方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１６年１月２０日に出願された英国特許出願第１６０１０７８．７号に基づき、またその優先権の利益を主張するものであり、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本明細書に記載の実施形態は、一般に、通信システムおよびネットワークに関する。
【背景技術】
【０００３】
量子通信システムでは、単一光子などの符号化された単一量子により送信機と受信機との間で情報が送信される。各光子は、その偏光、位相、またはエネルギー／時間など光子の特性に基づいて符号化された１ビットの情報を搬送する。光子は、たとえば、角運動量などの特性を使用することによって、１ビットより大きい情報を搬送することさえできる。
【０００４】
量子鍵配送（ＱＫＤ）は、しばしば「アリス」と呼ばれる送信機と、しばしば「ボブ」と呼ばれる受信機の２つの当事者間での暗号鍵の共有をもたらす技法である。この技法の魅力は、しばしば「イブ」と呼ばれる不正な盗聴者に知られている可能性がある最大情報の定量化を可能にすることである。ＱＫＤの多くの形態において、アリスとボブは、ビット値を符号化するための２つ以上の非直交基底を使用する。量子力学の法則は、それぞれの符号化基底の事前の知識なしのイブによる光子の測定が、光子のうちのいくつかの状態へ不可避の変化を引き起こすことを定める。光子の状態のこれらの変化は、アリスとボブとの間で送信されるビット値にエラーを引き起こす。したがって、それらの共通のビット列の一部を比較することによって、アリスとボブは、イブによって取得される可能性のある情報を決定し得る。
【０００５】
測定デバイスに依存しないＱＫＤ（ＭＤＩ−ＱＫＤ：measurement device independent QKD）もまた、測定デバイス（ボブ）の安全性が疑わしい場合がある状況に備えて開発されている。ＭＤＩ−ＱＫＤでは、２人の送信者、通常はアリスとカールが量子をボブに送信する。アリスとカールは、ボブによって作成された公表された測定値から秘密鍵を抽出し得る。
【０００６】
次に、非限定的な実施形態によるデバイスおよび方法を、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ＭＤＩ−ＱＫＤを実装し得る通信システムの概略図である。
【図２】アリスとボブとの間でＱＫＤを実行するために使用され得る図１のシステムの構成要素を示す概略図である。
【図３】カールとボブとの間でＱＫＤを実行するために使用され得る図１のシステムの構成要素を示す概略図である。
【図４】ＱＫＤとＭＤＩ−ＱＫＤの両方を実装するように構成され、カールとボブとの間のＱＫＤ用に構成された、本発明のある実施形態による通信システムの概略図である。
【図５】ＱＫＤとＭＤＩ−ＱＫＤの両方を実装するように構成され、アリスとボブとの間のＱＫＤ用に構成された、本発明のある実施形態による通信システムの概略図である。
【図６（ａ）】ＱＫＤとＭＤＩ−ＱＫＤの両方を実装するように構成され、アリスとカールとの間のＭＤＩ−ＱＫＤ用に構成された、本発明のある実施形態による通信システムの概略図である。
【図６（ｂ）】異なるタイプの抑制素子を用いた図６（ａ）のシステムの変形例である。
【図７】偏光符号化を使用してＱＫＤとＭＤＩ−ＱＫＤの両方を実装するように構成された、本発明のある実施形態による通信システムの概略図である。
【図８】偏光符号化を使用してＱＫＤとＭＤＩ−ＱＫＤの両方を実装するように構成された、本発明のある実施形態によるファイバベースの通信システムの詳細な概略図である。
【図９】３つのノードネットワークにおけるデジタル署名転送を示す概略図である。
【図１０】図１０ａは、ＱＫＤを使用する２ノードの量子ネットワークの概略図であり、図１０ｂは、ＱＫＤを使用する３ノードの量子ネットワークの概略図であり、図１０ｃは、ＱＫＤを使用する４ノードの量子ネットワークの概略図であり、図１０ｄは、ＱＫＤを使用する５ノードの量子ネットワークの概略図であり、図１０ｅは、ＱＫＤを使用する６ノードの量子ネットワークの概略図であり、図１０ｆは、ＱＫＤを使用する７ノードの量子ネットワークの概略図である。
【図１１】ＱＫＤとＭＤＩ−ＱＫＤの組合せを実装する５つのノードネットワークの概略図である。
【図１２】図１１の干渉素子をより詳細に示す図である。
【詳細な説明】
【０００８】
一実施形態によれば、ｎ個の送信機と１個の受信機とを備える通信システムであって、ｎは少なくとも２の整数であり、前記ｎ個の送信機の各々は、各送信機が光の符号化パルスを出力するように適合されるように光源と符号器を備え、前記受信機は第１の素子を備え、本システムはタイミング回路をさらに備え、本タイミング回路は、第１の送信機から送信された光パルスと第２の送信機からの光パルスとの間の干渉が第１の素子で干渉するように、送信機によって出力された符号化パルスを同期させるように構成されており、各送信機は、２つの送信機が符号化パルスを出力し両方のパルスが干渉素子で干渉する第１の動作モードと、一方の送信機のみが前記受信機に光パルスを送信する第２の動作モードとの間でシステムが切替え可能であるように、送信機のうちの一方を出る光を停止させるように適合された抑制素子をさらに備え、抑制素子は、他方の送信機を出る光を停止させるように制御されている通信システムが提供される。
【０００９】
抑制素子は、出力を減衰させるように構成された減衰器でもよく、または光源をスイッチオフするように構成された電気回路でもよい。
【００１０】
ある実施形態では、抑制素子がパルスを減衰させる場合、「パルス群」だけでなく、送信機によって放射される単一のパルスを選択的に阻止することが可能である。言い換えれば、システムと同じ繰返し率で動作するはずである。
【００１１】
上記システムにおいて、第１の動作モードはいわゆるＭＤＩ−ＱＫＤ動作モードであり、第２の動作モードはＱＫＤ動作モードであり得る。第１の動作モードは、２つの送信機間で鍵が共有されることを可能にし、ＱＫＤは、送信機と受信機との間で鍵が共有されることを可能にする。
【００１２】
一実施形態では、受信機は、第１のセンサと第２のセンサとをさらに備え、前記センサは、光パルスが第１の素子からセンサに向けられるように提供され、センサは、測定基底を使用して光パルスの測定を行うことができる復号器を備え、ここにおいて、第１のセンサで使用される測定基底は、第２のセンサで使用される測定基底とは異なる。
【００１３】
センサは検出器を備え、検出器は単一光子の精度まで測定することができるように適合されており、たとえば、検出器はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）であり得る。
【００１４】
ＱＫＤの場合、受信機は相補的な観測値の測定を実行するように適合される。ＭＤＩ−ＱＫＤの場合、これは必須ではなく、代わりにベル状態の測定値があり、同じ基底を使用して測定している２つの検出器がパルスを検出すると、受信機はベル状態の検出を登録する。
【００１５】
上記の構成は、両方のセンサに対して測定基底を固定したまま、ＱＫＤおよびＭＤＩ−ＱＫＤを実装するために使用され得る。ＭＤＩ−ＱＫＤは、同じ基底で測定する２つの検出器がパルスの検出を登録する場合に実装される。ＱＫＤは、検出イベントが１つだけ登録されている場合に実装される。測定基底は、単一パルスを受信したセンサに依存する。干渉素子は、単一パルスをいずれかのセンサに向けることができる。
【００１６】
さらなる実施形態では、第１のセンサで使用される測定基底が、第２のセンサで使用される測定基底と同じか、または異なるかの間で切り替えられ得るように、切替え素子が提供される。
【００１７】
これにより、ＭＤＩ−ＱＫＤが、同じ測定基底を使用して両方の検出器で実行されることが可能になる。
【００１８】
２つの動作モード間の切替えは、１つのモードが一定時間にわたって継続し、次いで次の動作モードが発生するように行われ得る。これが行われた場合、通常、所与の任意の期間の通信のためにどのモードが使用されることになるかについて、当事者間で合意があるであろう。しかしながら、測定期間を通じて、第１の動作モードと第２の動作モードとの間でモードが連続的に切り替えられることも可能である。次いで、当事者は、鍵を抽出するために異なる動作モードからイベントを後選択（post select）し得る。
【００１９】
通信システムは３つ以上の送信機を含み得る。ここでｎは少なくとも３の整数であり、システムは第１の動作モードで前記ｎ個の送信機から送信機のペアを選択するように適合されている。この構成では、システムがＭＤＩ−ＱＫＤとＱＫＤとの間で切り替えるのと同じ方法で、システムが送信機のペアの選択を切り替えることが可能である。
【００２０】
ＭＤＩ−ＱＫＤ内の鍵を抽出するために、２つの送信機と１つの受信機との間、および２つの送信機の間に第２の通信チャネルが提供される。第２のチャネルは、必ずしも安全でも、量子通信をサポートすることが可能でもある必要のない従来のチャネルである。受信機は、同じ測定基底を使用する２つの検出器に検出イベントが登録されたその測定結果を第２のチャネルを介して通信するように適合され得、第１のセンサが第２のセンサと異なる測定基底を使用する場合は、同じセンサ内の２つの検出器が検出イベントを登録したときにベル状態測定が発生することになり、両方のセンサが同じ測定基底を使用する場合は、検出イベントが各センサに登録されたときにベル状態測定が発生することになる（これについては以下でより詳しく説明する）。次いで、送信機は、検出イベントが第１のセンサと第２のセンサに登録されたときに、使用した測定基底を第２のチャネルを介して通信するように適合される。一例では、受信機は、ベル状態測定がうまく実行された場合、その測定結果を第２のチャネルを介して通信するように適合される。
【００２１】
ＱＫＤの場合、パルスを送信するために選択された送信機と受信機との間に、従来のチャネルである第２の通信チャネルが提供される。
【００２２】
上述のシステムは、３つ以上のノード間に量子ネットワークを提供し得、ここにおいて、１つのノードは受信機を備え、他のノードはそれぞれｎ個の送信機のうちの１つを備える。
【００２３】
符号器が偏光を使用して光パルスを符号化するように適合されるように偏光符号化が使用され得、干渉素子はビームスプリッタを備える。しかし、たとえば位相符号化などの他の符号化方法も使用され得る。
【００２４】
偏光符号化の場合、一例では、第１の測定基底と第２の測定基底との間に４５度の回転がある。
【００２５】
位相符号化の場合、符号器は、一例では位相を使用して光パルスを符号化するように適合され、第１の測定基底と第２の測定基底との間に９０度の回転があり、干渉素子はビームスプリッタを備える。
【００２６】
本システムは、センサのうちの少なくとも１つの測定基底を変更するように適合された偏光回転子をさらに備え得る。これにより、ＭＤＩ−ＱＫＤ構成の効率的な安定化が可能になる。
【００２７】
第１のセンサと第２のセンサの両方が同じ測定基底を使用するＭＤＩ−ＱＫＤシステムを使用する場合、ユーザがシステムのバランスをとるための関連データを収集するために、すなわち、異なる基底の組合せにわたってデータを送受信するために、時間がかかる場合がある。しかしながら、受信機において偏光基底が変更され得るシステムを使用することが可能である場合、送信機と受信機が較正中に使用されるべき基底について議論するならば、関連データはより効率的に収集され得る。
【００２８】
さらなる実施形態では、通信システムのための受信機が提供され、本受信機は、干渉素子に同時に到着する２つの光パルス間に干渉を引き起こすことができる第１の素子を備え、本受信機は、第１のセンサと第２のセンサをさらに備え、前記センサは、光パルスが第１の素子からセンサに向けられるように提供され、センサは、測定基底を使用して光パルスの測定を行うことができる復号器をそれぞれ備え、ここにおいて、第１のセンサは第１の測定基底を有し、第２のセンサは第１の測定基底とは異なる第２の測定基底を有し、本受信機は、第１のセンサと第２のセンサの測定基底が受信機で受信された一連のパルスに対して固定されるように構成されている。
【００２９】
上記の受信機では、測定基底を積極的に切り替える必要なしに、ＱＫＤおよびＭＤＩ−ＱＫＤが使用され得る。干渉素子は、ＱＫＤ中にパルスを第１のセンサまたは第２のセンサのいずれかにランダムに向け、これにより、測定基底のランダムな選択が生じる。
【００３０】
上記の受信機は、同じ測定基底を使用して測定する検出器において、２つの検出イベントが同時に発生した場合に、時間、およびどの検出器が検出イベントを登録したかを記憶することによって、ＭＤＩ−ＱＫＤを介して鍵を抽出するための結果を記憶するように構成され得る。受信機はまた、単一の検出イベントが同時に発生した場合に、時間、およびどの検出器が検出イベントを登録したかを記憶することによってＱＫＤを介して鍵を抽出するための結果を記憶するように構成されている。
【００３１】
さらなる実施形態では、受信機は上記とは異なるように構成され得、測定基底は、時間の経過とともに１つのセンサについて変更され得、この構成では、同じ基底を使用して測定する両方のセンサと、異なる基底を使用して測定するセンサとの間でＭＤＩ−ＱＫＤ切替えを実行することが可能である。センサが同じ測定基底に設定されている場合、ＱＫＤを使用して行われたいずれの測定も破棄される必要がある。
【００３２】
さらなる実施形態では、通信システムのための送信機が提供され、本送信機は、送信機が符号化された光のパルスのストリームを出力するように適合されるように光源および符号器を備え、本送信機は、パルスの一部について送信機の出力を阻止するように制御されるように適合された抑制素子を備え、本送信機は、送信機の出力が阻止されたときに関する情報を記憶し、この情報を出力するように適合されたコントローラをさらに備える。
【００３３】
さらなる実施形態では、
符号化された光パルスを準備するように適合された第１の送信機を提供することと、
符号化された光パルスを準備するように適合された第２の送信機を提供することと、
ここにおいて、光パルスは、２つの測定基底のうちの１つにおいて定義する２つの状態のうちの１つで符号化され、測定基底は、正しい測定基底での光パルスの測定が正確な結果をもたらし、他の基底での測定が不正確な結果をもたらすことになるように選択され、
両方の送信機からの出力パルス間で切り替えること、または送信機のうちの１つからの出力を選択することと、
前記光パルスを受信機で受信し、符号化された光パルスを復号することと、ここにおいて、両方の送信機から受信された光パルスは干渉素子で干渉され、第１および／または第２のセンサに向けられ、ここにおいて、第１のセンサが一方の測定基底を使用し、第２のセンサが他方の測定基底を使用する、
を備える通信方法が提供される。
【００３４】
ここで、両方の送信機からの出力パルス間で連続的に切り替えること、または送信機のうちの１つからの出力を選択することが行われてもよく、本方法は、イベントを後選択することによって復号されたパルスから鍵を導出することをさらに備える。第１の通信プロトコルは、２つの送信機の間の暗号鍵を抽出するために実装され得、第２のプロトコルは、送信機のうちの１つと受信機との間の暗号鍵を抽出するために使用され得る。
【００３５】
図１は、量子通信に適した通信システムの概略図である。本システムは、第１の送信機１および第２の送信機３を備える。本システムは受信機５を備える。説明が進むにつれて、送信機および受信機の役割が場合によっては交換可能であることが明らかになるであろう。しかしながら、この説明の開始のために、それらは送信機と受信機の役割をとることになる。
【００３６】
送信機１および送信機３はそれぞれ、光源７、９を備える。一実施形態における光源は、単一光子を放射する単一光子光源である。これは、もつれた光子のペアを使用し、次いでペアで１つの光子を測定することによって、近似され得る（「伝令付き単一光子源」）。別の実施形態では、光源は、弱い光子パルス、すなわち強度がパルス当たり１光子未満のパルスを放射する減衰されたレーザである。放射されたパルスの強度が、たとえばレーザ光源のあとに続く強度変調器で変調される場合、いわゆる「デコイ状態技法」を通じてより高い鍵レートが取得され得る。
【００３７】
送信機１および３は符号器も備える。図１では、符号器は示されていない。両方の場合の符号器は、単一光子が偏光、位相等を使用して符号化される光子を準備するように構成される。この例では、偏光符号化が使用されると推定される。しかしながら、他のタイプの量子符号化を使用するさらなる例については後に説明する。
【００３８】
符号器は、光パルスが水平Ｈ、垂直Ｖ、対角Ｄ、および反対角Ａから選択される偏光を有するように準備する。偏光状態ＨおよびＶは直線基底Ｚを形成し、偏光状態ＤおよびＡは対角基底Ｘを形成する。偏光基底ＺおよびＸは相補的な観測値の例である。相補的とは、それらがハイゼンベルグの不確定性原理によって関連していることを意味する。
【００３９】
ＭＤＩ−ＱＫＤでは、アリスとカールは、それらの光子をこれらの基底、またはこれらの基底内の状態のいずれかにおいて符号化し得、どの状態が使用されたかを決して明らかにせず、ボブがその検出器のうちのどれが始動したか（fired）を彼らに知らせた後にのみ、基底を明らかにする。それらは同時に光子パルスを受信機５に送信する。
【００４０】
この例では、受信機５はビームスプリッタ１１を備える。ビームスプリッタ１１は、ビームを分割する５０：５０のビームスプリッタである。アリスとカールの光子は同時にそこに到着し、相互に干渉する。
【００４１】
ビームスプリッタは、ビームの１つの部分を第１のセンサモジュール１３に向け、ビームの第２の部分を第２センサモジュール１５に向ける。
【００４２】
両方のセンサモジュールは同じ構造を有する。センサモジュールに入射するビームは、偏光ビームスプリッタに衝突し、次いで、第１の検出器または第２の検出器に向けられる。上述の構成は、ＭＤＩ−ＱＫＤと標準ＱＫＤの両方に使用され得る。
【００４３】
センサ１３、１５内の検出器は、単一光子の検出イベントを登録するために十分な感度を有する。検出器は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）であり得る。
【００４４】
相補的な観測値がＱＫＤで使用される。しかしながら、相補的な観測値はＭＤＩ−ＱＫＤで使用される必要はない。
【００４５】
ＭＤＩ−ＱＫＤでは、いわゆるベル測定が実行され、いわゆるベル状態が測定される。上記で説明したように、アリスとカールは、それらの光子が偏光状態Ｈ、Ｖ、Ｄ、またはＡのうちのいずれか１つを有するように準備する。両方がそれらの状態を独立して選択し、したがって両方の状態が異なる場合がある。
【００４６】
光子は、５０：５０のビームスプリッタ１１で干渉する。この例では、各センサの偏光ビームスプリッタは水平偏光光子と垂直偏光光子とを区別するように配向されている。したがって、各センサには水平偏光検出器（ｄｅｔ−Ｈ）と垂直偏光検出器（ｄｅｔ−Ｖ）がある。
【００４７】
正常なベル状態測定は、２つの検出器（各センサに１つ）が直交偏光を測定するとき、すなわち、センサ１のｄｅｔ−Ｖおよびセンサ２のｄｅｔ−Ｈに検出イベントが発生するとき、またはセンサ１のｄｅｔ−Ｈおよびセンサ２のｄｅｔ−Ｖに検出イベントが発生するときに発生する。これは、｜Ψ-＞＝（１／√２）（｜ＨＶ＞−｜ＶＨ＞）またはΨ+＞＝（１／√２）（｜ＨＶ＞＋｜ＶＨ＞）のベル状態への投影を示す。
【００４８】
すべてのパルスが送信された後、または各パルス／パルス群が送信された後に、ボブは、彼が正常なベル状態測定をいつ行ったか、およびその結果（すなわち、どの検出器がカウントを登録したか）を発表する。この発表は、公開チャネルが鍵に関する情報を一切与えないため、公開チャネルを介して行われ得る。
【００４９】
次いで、アリスとカールは、同じ基底を使用したかどうかを決定するために、公開チャネルを介して情報を比較する。それらが同じ基底を使用した場合はイベントからの結果を保持し、それらが同じ基底（すなわち、Ｈ、ＶまたはＤ、Ａのいずれか）を使用しなかった場合は結果を無視する。
【００５０】
これにより、アリスとカールは秘密鍵を抽出し得る。ボブは、正常なベル状態測定がいつ行われたかを知ることになり、ベル状態が測定されたときに使用された測定基底を、アリスとカールとの間の通信から知り得るが、彼はアリスまたはカールによってその基底で準備された初期状態を知らないことになるので、鍵を決定するために十分な情報を有していない。
【００５１】
ＭＤＩ−ＱＫＤはまた、相補的な観測値を使用したさらなる構成を使用して実装され得、ここでは、一方のセンサはＸ基底を使用して測定し、他方のセンサはＺ基底を使用して測定することになる。ベル状態測定は、同じ測定基底を使用する（すなわち、同じセンサ内の）２つの検出器が同時に検出イベントを登録するときに発生する。
【００５２】
しかしながら、ユーザのうちの１人、すなわちアリスまたはカールがその出力を阻止し、その結果、ユーザのうちの１人だけが受信機に信号を送信している場合、送信機１、３と受信機５との間に標準ＱＫＤを実装することが可能である。
【００５３】
送信機のうちの１つの出力を阻止することによって、図２に示されるように、アリスが受信機と通信することが可能であり、または、図３に示されるように、カールだけが受信機と通信することが可能である。そのような構成では、干渉が回避され、本質的に２人のユーザ、アリスとカールはもう相関関係がなく、独立したユニットとして見られ得る。
【００５４】
これは標準ＱＫＤ設定であり、標準ＱＫＤプロトコルのいずれかで実行し得る。一例では、標準ＢＢ８４プロトコルが使用され、ここでは、送信者（アリスまたはカールのいずれか）は、それらの光子が偏光状態Ｈ、Ｖ、ＤまたはＡのいずれか１つを有するように準備する。次いで、受信機であるボブがＸ基底またはＺ基底のいずれかを使用して各パルスを測定するように、ボブが測定基底を変更して受信光子を測定する。ボブはＸ基底とＺ基底で符号化された相補的な観測値の測定を行う。ボブが間違った基底を使用して測定すると、光子パルスを受信するセンサの２つの検出器のうちの１つにカウントを依然として登録するはずである。しかしながら、どの検出器がイベントを登録するかは、測定のために間違った基底が使用される場合はランダムである。基底は、たとえば、センサの２つの検出器のうちの１つにパルスを向ける偏光ビームスプリッタなどの構成要素を切り替えることによって選択される。偏光ビームスプリッタは、Ｚ基底においてＨ偏光とＶ偏光を区別することができ、Ｘ基底においてＤ偏光とＡ偏光を区別し得る。測定基底は、実際には、偏光ビームスプリッタの前に偏光回転子を提供することによって変更され得る。
【００５５】
次いで、送信者およびボブは、測定基底（すなわち、ＸまたはＺ）および送信基底（すなわち、ＸまたはＺ）がいつ同じであったかを決定するために、従来のチャネルを介して通信し得る。彼らはこれらの結果を保持する。
【００５６】
図４は、本発明のある実施形態による量子通信システムを示す。ここでは、強度変調器２１が送信機１内に提供され、強度変調器２３が送信機３内に提供されている。受信機は、前に示したものと同じままである。
【００５７】
図４において、アリス１の強度変調器２１はオンである。これにより、光源Ｘの出力が抑制され、したがって弱い光パルスは受信機５に出力されない。
【００５８】
強度変調器の代替として、光源のオンとオフを切り替えることが可能である。カールの送信機３は強度変調器２３も有する。しかしながら、この強度変調器はスイッチオフされている。したがって、カールの送信機３の光源Ｘからのパルスは、受信機５に向けられる。ここで、カール３およびボブ５は、鍵を確立するためにＱＫＤを実行することが可能である。
【００５９】
図５は、カール３が彼の強度変調器２３をオンにし、これが彼の光源からの出力を阻止する逆の状況を示す。
【００６０】
他方で、アリス１は次に彼女の強度変調器２１をスイッチオフし、これにより、彼女の光源Ｘは彼女の符号器を介して受信機５にパルスを送信することが可能になる。したがって、アリスとボブは、知られているＱＫＤプロトコルのうちの１つを使用して鍵を決定し得る。
【００６１】
図６（ａ）において、アリス１の強度変調器２１はオフにされ、カールの強度変調器２３はスイッチオフされる。これは、アリスとカールの両者が同時に光パルスを送信すると、それらは強度変調器２１と２３を通過し、ボブの受信機５のビームスプリッタ１１で干渉することを意味する。
【００６２】
これにより、上記で説明したように、ＭＤＩ−ＱＫＤを使用して、アリスとカールとの間で鍵を交換することが可能になる。したがって、必要に応じて強度変調器２１および２３のオンとオフを切り替えることによって、ＱＫＤシステムとＭＤＩ−ＱＤＫシステムとの間でシステムの機能を変更することが可能である。
【００６３】
図６（ｂ）には、図６（ａ）のシステムの変形例が示されている。図６（ｂ）のシステムは、強度変調器２１および２３を有していない。代わりに、阻止回路３１が送信機１内に提供され、阻止回路３３が送信機３内に提供されている。阻止回路１と阻止回路３の両方は、それぞれ光源７および９に接続され、送信機を出る光を停止させるためにそれぞれの光源をスイッチオフするように適合されている。
【００６４】
図７は、前述の実施形態のさらなる変形例を示す。不必要な繰返しを避けるために、同様の参照番号は同様の特徴を示すために使用されることになる。
【００６５】
アリスの送信機１では、偏光子５１を介して符号化が実行されるが、カールの送信機３では、偏光子５３によって符号化が実行される。両方の強度変調器２１および２３がスイッチオフされると、システムはアリス１からの信号とカール３からの信号がビームスプリッタＹで干渉するのでＭＤＩ−ＱＫＤを実行し得る。
【００６６】
次いで、信号は、第１のセンサ１３と第２のセンサ１５との間で分割される。
【００６７】
第１のセンサ１３に入る前に、信号は偏光回転子Ｒを通過する。この例の偏光回転子Ｒ１９は、Ｚ（検出器が水平および垂直偏光を検出する）とＸ（検出器が対角および反対角偏光を検出する）との間の測定基底を変更し得る。センサＸが対角基底Ｘで測定するようにボブが回転子１０１を設定し、この例では、直線基底Ｚで測定するようにセンサ２が設定されている場合、ボブは相補的な観測値の測定を実行し、したがってＱＫＤを実行することが可能である。回転子１９はまた、偏光ドリフトに適合するようにシステムのバランスをとるために使用され得る。
【００６８】
センサ１とセンサ２の両方が直線基底Ｚで測定するようにボブが回転子１０１を設定すると、システムが非相補的変数を使用してＭＤＩ−ＱＫＤを実装することが可能になる。
【００６９】
ここで、アリスとカールによって準備されたパルスは中央ビームスプリッタＸで干渉する。ボブが検出器Ｈ／ＶまたはＤ／Ａから両方のセンサ（「一致カウント」とも呼ばれる）に検出イベントを登録すると、そのカウントは１ビットの量子鍵とＭＤＩ−ＱＫＤを生成するために使用される。一致カウント「Ｈ／Ｖ」は、異なるセンサモジュール内の２つの検出器ＨおよびＶが所与のタイムスロット内で検出イベントを登録するときに発生する。逆に、「単一カウント」は、４つの検出器のうちの１つの検出器のみが検出イベントを登録するときである。
【００７０】
しかしながら、アリスとカールの両方が、送信機からの出力を可能にするようにそれらの強度変調器を設定する場合、両方のセンサが相補的な測定基底を使用している間にＭＤＩ−ＱＫＤを実装することは依然として可能であるであろう。
【００７１】
ここでは、ベル状態測定があるので、同じ基底を使用して測定している２つの検出器が検出イベントを登録すると、一致カウントが発生する。この状況が発生するには、両方の検出器が同じセンサ内に存在する必要がある。
【００７２】
２つの検出器が同時にクリック（click）する確率は、単一の検出器がクリックする確率よりもはるかに小さいので、一致カウントは単一カウントよりはるかに少ない。
【００７３】
センサ１がＸ基底またはＺ基底を測定する間でシステムを切り替えることができることに加えて、回転子Ｒは、基底Ｘまたは基底Ｚにおける単一カウントの測定を可能にする役割もする。単一カウントから、受信機ボブは、アリスとカールにフィードバックを与えることが可能であり、アリスとカールは、それらの偏光コントローラを整列（align）させる（または整列させておく）ためにフィードバックを使用することができる。回転子Ｒがなければ、整列は、単一カウントよりさらに少ない一致カウントに依存する必要があるため、はるかに問題が多くなるであろう。
【００７４】
これは、システムを自動的に整列させておくので、完全変調でのＭＤＩ−ＱＫＤ実験にとって有利に働く。
【００７５】
図８は、偏光符号化に関連する図７を参照して説明したシステムのファイバベースの実装形態を詳細に示す。ここで教示された余分の構成要素を考慮して、異なる数字が使用される。
【００７６】
前と同様に、送信機（アリス）２０１と、第２の送信機（カール）２０３と、受信機（ボブ）２０５がある。
【００７７】
アリスの送信機Ａには、先に説明した光源と同様に構成された光源２２１があり、それは単一光子源でもよく、または減衰されたレーザ等でもよい。
【００７８】
光源２２１は、偏光Ｈ’を有し強度ｕ’を有する光子パルスを出力する。次に、光源からの出力は、強度変調器２２３を通過する。強度変調器２２３は、この例では、ファイバを介して光源に接続されている。しかしながら、このシステムは自由空間システムとしても機能するであろう。
【００７９】
この例では、強度変調器２２３は２つの機能を有する。その第１の機能では、パルスが強度ｕ’、ｖ’、またはｗ’のいずれかで生成されるように、パルスのうちの一部の強度を変調し、これにより、デコイ状態プロトコルの使用が可能になる。デコイ状態プロトコルは、エラーレートが慎重に監視されることを可能にし、盗聴者の存在を決定するために使用され得る。デコイ状態プロトコルはこのアプリケーションの範囲外であり、ここではこれ以上説明されない。その第２の機能では、光が送信機を出ないように光源２２１からの出力を阻止し、したがって、強度変調器２２３も図４〜図７の強度変調器２１の機能を実行する。
【００８０】
この強度変調器２２３は、ＱＫＤプロトコルの一部としても、ＭＤＩ−ＱＫＤプロトコルとしても使用される。
【００８１】
次に、強度変調器２２３からの出力は、偏光変調器２２５に渡される。偏光変調器２２５は、４つの可能な状態Ｈ’、Ｖ’、Ｄ’、またはＡ’のうちの１つで偏光を出力するように構成される。したがって、これは、直線基底の２つの状態（すなわち、Ｈ’、Ｖ’）、または対角基底の２つの直交状態（Ｄ’、Ａ’）を出力し得る。次に、偏光変調器２２５の出力は、偏光コントローラ２２７に供給される。
【００８２】
偏光コントローラ２２７は偏光変調器の出力をとり、必要に応じてさらなる回転をかける。偏光制御器２２７は、偏光ドリフトを補正し、受信機を参照して説明されることになる論理回路からフィードバックを受信するためのものである。
【００８３】
偏光コントローラ２２７は、入力状態と同じ状態を出力するが、必要であれば、ドリフトを補正するために、偏光回転はわずかに調整され得る。
【００８４】
次いで、偏光制御器２２７の出力は、ファイバを介して強度コントローラ２２９に供給される。実際には、量子チャネルに放射された平均強度を微調整する（ゆっくりした）可変減衰器である。これは、ある特定のユーザを１回の実行で阻止して、必要に応じて次の実行でそれを阻止解除できるように、システムのクロック速度と同じ速さである強度変調器２２３とは異なるものである。
【００８５】
カール２０３の送信機は、アリス２０１の送信機とまったく同じ方法で構成され、その中の構成要素は同じ参照番号で示され、別個の説明は与えられない。
【００８６】
構成要素は同様に構成されているが、強度変調器および／または偏光変調器は異なる量子状態を準備し得る。アリス内の偏光変調器２０１およびカール２０３は、他の送信機内の偏光変調器２２５を認識しないので、これらの変調器は異なる状態を準備していることになる。
【００８７】
信号は、ファイバリンクを通じて中継局２０５に送信される。中継局２０５は、先に述べた受信機と同じである。どのように使用されるかに依存して、中継局または受信機のいずれかと考えられ得る。
【００８８】
アリスの送信機２０１からの出力およびカールの送信機２０３からの出力は、光ファイバリンク２０７を介して送信される。
【００８９】
この特定の例のファイバリンクの１つでは、ファイバストレッチャ２３１が提供される。ファイバストレッチャ２３１は、アリスの送信機２０１からのファイバリンクによって導入された光遅延が、カールの送信機２０３によって導入されたファイバリンクの光遅延と同じになるように同調可能である。したがって、ＭＤＩ−ＱＫＤにおいて、アリスとカールの両方がパルスを放射すると、２つの信号は同時にビームスプリッタ２３３に到達し、したがって互いに干渉する。
【００９０】
先の図を参照して説明したように、ビームスプリッタ２３３は、第１のセンサ２３５と第２のセンサ２３７との間でビームを分割する。第２のセンサ２３７の前に、回転子２３９が提供される。回転子２３９は、偏光の回転を直線から対角線に、およびその逆に切り替えることを可能にする。しかしながら、上記で説明したように、一実施形態では、システムは、センサのうちの１つの測定基底を切り替えず、代わりに、一方のセンサがＸ基底で測定し、他方のセンサがＺ基底で測定するように両方のセンサが設定される。ビームスプリッタ２３３は、単一パルスを第１のセンサ２３５または第２のセンサ２３７のいずれかにランダムに向けるので、ＱＫＤの測定基底はランダムに変化することになる。
【００９１】
センサ２３５には、偏光ビームスプリッタ２４１がある。偏光ビームスプリッタ２４１は、垂直偏光を有する光子を第１の検出器２４３に向け、水平偏光を有する光子を第２の検出器２４５に向ける。同様に、第２のセンサで、偏光ビームスプリッタ２５１は、対角方向に偏光された光子が第３の検出器２５３に向けられ、反対角方向に偏光された光子が第４の検出器２５５に向けられるように構成される。
【００９２】
検出器２４３、２４５、２５７、および２５５の各々の出力は、検出器論理２６１に接続されている。
【００９３】
上述のシステムは、ＱＫＤとＭＤＩ ＱＫＤとの間で切り替えることができる。一実施形態では、当事者は、通信がＱＫＤを介するか、またはＭＤＩ ＱＫＤを介するかを事前に決定し、他の実施形態では、結果を後選択することによって、通信後にＱＫＤまたはＭＤＩ−ＱＫＤが使用されるかどうかが決定される。
【００９４】
上記の実施形態では、鍵を抽出するためにＭＤＩ−ＱＫＤまたはＱＫＤのいずれかが使用される。それらは同時に使用されない。ＭＤＩ−ＱＫＤが有効である場合、ボブはどの鍵も取得できず、鍵はアリスとカールだけによって取得される。ＱＫＤが有効である場合、ボブは、カールのＩＭがオンであった場合はアリスと、アリスのＩＭがオンであった場合はカールと鍵を抽出し得る。
【００９５】
ＱＫＤが有効にされているか、またはＭＤＩ−ＱＫＤが有効にされているかを最初に知ることなしに、すべてが行われ得る。当事者は、それらの状態をいくつかの実行にわたって単純に符号化し測定する。次いで、量子通信を停止し、従来の通信に移る。
【００９６】
ボブが最初に話し、「０」個の検出器を始動させた実行、または「１」個の検出器を始動させた実行、または「２つ以上」の検出器を始動させた実行を発表する。当事者は、「０」が発表されたすべての実行を破棄する。次いで、「ＱＫＤ」下で「１」が発表された実行と、「ＭＤＩ−ＱＫＤ」下で「２つ以上」が発表された実行をグループ化する。次いで、アリスとカールは、ＭＤＩ−ＱＫＤグループに属する実行における基底を明らかにする。これらの実行から、アリスとカールは、ボブがその鍵を知ることなしに鍵を抽出し得る。次いで、アリスとボブは、ＱＫＤグループに属する実行における基底を明らかにし、基底が異なった実行を破棄する。次いで、カールは残りの実行についてのＩＭの設定を明らかにする。この情報により、アリスとボブは、カールがその鍵を知ることなしに鍵を抽出し得る。アリスのＩＭの設定を知った後に、同じことがボブとカールの間で行われ得る。
【００９７】
図８を参照して説明したシステムは、この方式のファイバベースの実装形態である。図８において、強度変調器２２３はギガヘルツで動作する高速デバイスであり、制御器２２７および２２９は遅く、フィードバック信号に基づいて整列のために使用される。強度に関して、フィードバック信号は、ビームスプリッタ２２６から導出され、ボブにアクセスできない出力信号の一部を測定するユーザボックス内のパワーメータ２２８によって与えられる。偏光について、ユーザは、ボブによって行われる、検出されたカウントの公開宣言に依存する。したがって、それは、ボブによってユーザに送信される実の信号ではなく、むしろ、偏光コントローラ２２７を使用してシステムを整列させるためにアリスとカールによって使用されるボブからのブロードキャスト情報である。
【００９８】
前述の実施形態は、偏光とともに使用するための上記の設定について論じてきた。しかしながら、このシステムは、位相符号化または他の任意のタイプの符号化のためにも使用され得る。位相符号化では、偏光変調器が干渉計に置き換えられる。同様に、図８の回転子は、中継局に存在する干渉計に適用される位相シフトを変えることによって置き換えられ得る。
【００９９】
上記のシステムは、量子ネットワークを実現するために使用され得る。図９は、上述のシステムを使用する基本的な量子ネットワークを示す。アリス２０１とカール２０３との間の通信、アリス２０１とボブ２０５との間の通信、およびカール２０３とボブ２０５との間の通信も存在する。
【０１００】
たとえば、アリスが量子鍵で署名した小切手で支払う銀行業務のためのアプリケーションが実現され得る。カールは署名付き小切手を受け取り、ボブは署名付き小切手を現金化することができる。
【０１０１】
量子ネットワークでは、ネットワークの１つのノードにそれぞれ参加しているすべてのユーザが、（異なるまたは等しい）量子鍵、すなわち、ＱＫＤまたはＭＤＩ−ＱＫＤのいずれかを使用して抽出された鍵を共有する。
【０１０２】
量子ネットワーク内のすべてのノードのペアが秘密鍵を共有する場合、いわゆる量子デジタル信号（ＱＤＳ）プロトコルを実行することが可能である。
【０１０３】
最も単純な量子ネットワークは、前述と同じユーザであるａ（アリス）、ｂ（ボブ）、およびｃ（カール）を有する３つのノードをもつ  ネットワークである。ＱＤＳプロトコルの場合、ユーザの各ペアは異なる量子鍵Ｋac、Ｋab、Ｋbcを抽出する。複数のユーザを使用する場合、量子ネットワークのすべてのユーザに量子鍵を分配することがどのように可能であるかという問題がある。これを行う最も簡単な方法は、ＱＫＤリンクを介してすべてのノードを接続することである。これは図１０に示されており、２ユーザのネットワークに必要なリンク数は図１０（ａ）に、３ユーザのネットワークは図１０（ｂ）に、４ユーザのネットワークは図１０（ｃ）に、５ユーザのネットワークは図１０（ｄ）に、６ユーザのネットワークは図１０（ｅ）に、および７ユーザのネットワークは図１０（ｆ）に示されている。これらのネットワークは、Ｎ（Ｎ−１）／２個のＱＫＤリンクが必要である。
【０１０４】
しかしながら、ＭＤＩが使用される場合、Ｎ−１個のリンクのみを使用して関連鍵配布特性を実現することが可能である。たとえば、図９に示されるネットワークでは、アリスとカールとの間の鍵ＫacがＭＤＩ−ＱＫＤを使用して抽出される。ここで、ボブは彼の検出器からの一致カウントを見ているが、アリスとカールが「真空」状態を準備する場合、Ｋab、ＫbcはＱＫＤを使用して抽出される。アリス（カール）が「真空」を準備すると、アリスは通信から遮断され、ボブとカール（ボブとアリス）はＱＫＤを実行し得る。「真空」という用語はデコイ状態ＱＫＤに根差している。それは、光子を含まない（すなわち、ゼロ光子）アリスによって（または、カールによって）放射されたパルスを指す。したがって、それは光がまったくないので真空と呼ばれる。ある実施形態では、強度変調器で完全な真空を準備することは困難であるが、「真空」は、非常に少数の光子、たとえば、パルス当たり＜１０-5の光子を含む任意の状態と定義され得る。
【０１０５】
図１１を参照して示されたタイプなど、より大きいネットワークの場合、図１１の量子ネットワークは５つのノードを備える。各ノードは、中央ノード、この場合はノードＡ３０１に接続されている。中央中継器は、外部ノード３０３、３０５、３０７、および３０９に接続されている。
【０１０６】
外部ノード３０３、３０５、３０７、３０９の各々は、前述したようにＭＤＩ−ＱＫＤプロトコルを使用して鍵を共有するために、中央中継器３０１を介して接続され得る。
【０１０７】
外部ノード３０３、３０５、３０７、および３０９の各々は、上述したようにＱＫＤプロトコルを使用して中央ノード３０１と鍵を共有し得る。
【０１０８】
図１２は、図１１のネットワークをより詳細に示す。ここでは、中継器３０１は、ビームスプリッタ３２１の構成と共に示されている。ビームスプリッタ３２１の構成は、各経路からの光子が各ビームスプリッタで干渉することを可能にする。たとえば、ビームスプリッタ構成３２１における第１のビームスプリッタ３２１（ａ）は、ノード３０９およびノード３０５からの光子が干渉することを可能にするように構成される。ビームスプリッタの構成における第２のビームスプリッタ３２１（ｂ）は、ノード３０３およびノード３０９で準備されたビームスプリッタパルス間の干渉を可能にするように構成される。ビームスプリッタ３２１（ｃ）は、ノード３０３とノード３０７との間のパルスの干渉を可能にすることができるように提供される。ビームスプリッタ３２１（ａ）、３２１（ｂ）、および３２１（ｃ）は、任意の選択された送信機のペアからの出力の間に干渉を生じさせることが可能であるように構成されている。いくつかのビームスプリッタ３２１（ａ）、３２１（ｂ）、および３２１（ｃ）のいくつかのポートは使用されないが、他のポートは、別のビームスプリッタまたは検出器のいずれかに接続される。使用されていないポートはシステム内でより多くの損失を招く。さらなる実施形態では、それらのポートからの出力も監視するために、追加の検出器が使用され得る。
【０１０９】
次いで、タイミングシステム（図示せず）は、個々のユーザをペアで動作させるために、個々のユーザを同期させなければならない。
【０１１０】
実際には、ビームスプリッタは、送信機のペアが選択されたとき、両方の送信機からのパルスが、それらが干渉するビームスプリッタへの等しい経路の長さを移動するように構成され得る。ファイバに沿った経路の長さは、ファイバストレッチャを使用して調整され得る。
【０１１１】
ＭＤＩ−ＱＫＤおよびＱＫＤを実装する上記のネットワークは、信頼されるノードネットワークと信頼されないノードネットワークとの組合せの例である。ボブが「信頼されている」（すなわち、彼がアリスおよびカールと協力している）場合、２つの光リンクのみを使用する３つの当事者間のすべての鍵を抽出するためにＱＫＤだけで十分であり、ＭＤＩ−ＱＫＤは不要である。
【０１１２】
ボブが信頼されている場合、アリスとボブは２つの鍵Ｋａｂ１とＫａｂ２を抽出し得る。次いで、ボブとカールは他の２つの鍵Ｋｂｃ１とＫｂｃ２を抽出し得る。次いで、ボブはＫａｂ２とＫｂｃ２のＸＯＲを実行し、その結果を公表し得る。発表から、アリスはＫｂｃ２を再構築でき、カールはＫａｂ２を再構築し得る。最後に、すべてのユーザが自分の鍵を所有する。しかし、重要な違いは、この場合、ボブはアリスとカールによって共有される鍵を知っていることである。もし彼が悪者である場合、彼はアリスとカールとの間のすべての通信を傍受し、それらを自分自身の目的のために使用し得る。ＭＤＩ−ＱＫＤでは、ボブはアリスとカールによって所有される鍵を知らず、「信頼される」必要はない。実際には、ネットワーク内の２人以上のユーザを接続するノードは第三者によって所有されることができないため、これは重要である。
【０１１３】
上記の実施形態は、たとえば、必要に応じてＱＫＤプロトコルまたはＭＤＩ−ＱＫＤプロトコルを使用してネットワークの各ノードで安全な量子鍵を生成するためのセットアップを可能にするなど、多くの利点を提供する。これらの鍵は、量子デジタル署名（ＱＤＳ）または他の量子ベースの通信プロトコルに使用され得る。また、ネットワークへのＱＫＤの効率的な拡張も提供され、効率は、ノードの数と直線的にスケーリングする量子リンクの数から来る。
【０１１４】
上記の実施形態は、ＱＫＤとＭＤＩ−ＱＫＤの両方のための単一のセットアップを提供する。ＭＤＩ−ＱＫＤシステムの整列および安定化は「一致カウント」に基づいているが、上記の実施形態はまた、より多数の単一カウントを使用し得、したがってより効果的な制御を可能にする。
【０１１５】
ある特定の実施形態が説明されてきたが、これらの実施形態は単なる例示として提示されたものであり、本発明の範囲を限定することが意図されるものではない。実際、本明細書に記載された新規の方法およびシステムは、様々な他の形態で具体化されてもよく、さらに、本発明の趣旨から逸脱することなしに、本明細書に記載の方法およびシステムの形態における様々な省略、置換、および変更が行われ得る。添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物は、本発明の範囲および趣旨に含まれるような変形形態を包含することが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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