(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Nを2以上の整数とし、f bit/sを量子暗号鍵の想定最大鍵生成レートとして、
2Nf Hz以上の光周波数領域を有する量子もつれ光子対を発生する量子もつれ光源、直列型量子鍵配送伝送系、及び制御ユニットを備え、
前記直列型量子鍵配送伝送系は、波長可変光アドドロップフィルタ及び量子鍵受信装置を備えた互いにドロップ波長が異なる2N個の送受信端末を含み、2N個の当該送受信端末が直列に配列されており、
前記各送受信端末は、前記波長可変光アドドロップフィルタのドロップポートからの出力光を受け入れて光子検出を行うと共に、量子暗号鍵を生成するための測定基底情報を発信し、かつ他の量子鍵受信装置からの測定基底情報を受信し、更に誤り訂正及び秘匿増幅機能を実行するための信号処理回路を内包する量子鍵受信装置を備え、
前記制御ユニットは、2N個のそれぞれの前記送受信端末が備えている波長可変光アドドロップフィルタに対してドロップ波長の選択を行い、かつ2N個の前記量子鍵受信装置から出力されるそれぞれの測定基底情報を受け取り、対応する別の量子鍵受信装置へ転送し、
前記量子鍵受信装置を備える2N個の前記送受信端末の任意の2送受信端末間での量子鍵配送を実行し、かつ複数の2送受信端末間で同時に量子鍵配送を実行する
ことを特徴とする多端末量子鍵配送システム。
【請求項２】
前記直列型量子鍵配送伝送系は、
量子もつれ光を伝搬させる光伝送路によって、1番目の送受信端末の波長可変光アドドロップフィルタのスルーポートと2番目の送受信端末の波長可変光アドドロップフィルタの入力ポートを接続し、2番目の送受信端末の波長可変光アドドロップフィルタのスルーポートと3番目の送受信端末の波長可変光アドドロップフィルタの入力ポートを接続し、順次、光学的に(2N-1)番目の送受信端末の波長可変光アドドロップフィルタのスルーポートと2N番目の送受信端末の波長可変光アドドロップフィルタの入力ポートを接続して、前記1番目の送受信端末から前記2N番目の送受信端末までを量子もつれ光が伝搬する光伝送路によって直列に接続されて形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の多端末量子鍵配送システム。
【請求項３】
前記波長可変光アドドロップフィルタは、
誘電体多層膜フィルタを備え、当該誘電体多層膜フィルタの透過光出力をスルー光として出力させ、反射光出力をドロップ光として出力させる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の多端末量子鍵配送システム。
【請求項４】
前記波長可変光アドドロップフィルタは、
光サーキュレータと波長可変ブラッグ反射鏡とを備え、
前記光サーキュレータの第1ポートに入力された光は第2ポートから出力され、第2ポートに入力された光は第3ポートから出力され、
前記光サーキュレータの第2ポートには前記波長可変ブラッグ反射鏡が接続されており、前記光サーキュレータの第2ポートから出力された光のうち、前記波長可変ブラッグ反射鏡のブラッグ波長と一致した波長成分はブラッグ反射され再度前記光サーキュレータの第2ポートに入力されて第3ポートからドロップ光として出力され、
ブラッグ波長以外の成分は前記波長可変ブラッグ反射鏡を透過してスルー光として出力される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の多端末量子鍵配送システム。
【請求項５】
前記量子鍵受信装置は、
ハーフミラー、1/2波長板、第1偏光分離回路、第2偏光分離回路、第1単一光子検出器、第2単一光子検出器、第3単一光子検出器、第4単一光子検出器を備え、
当該量子鍵受信装置に到来した光子は前記ハーフミラーによって確率的に２つのパスに分けられ、一方のパスは前記第1偏光分離回路に導かれ、他方のパスは前記1/2波長板を通過して前記第2偏光分離回路に導かれ、
前記第1偏光分離回路は、一方のパスを通った光子を確率的に互いに直交する偏光成分に分離して、前記第1単一光子検出器、前記第2単一光子検出器にそれぞれ入力させ、
前記第2偏光分離回路は、他方のパスに導かれ前記1/2波長板を通過した光子を確率的に互いに直交する偏光成分に分離して、前記第3単一光子検出器、前記第4単一光子検出器にそれぞれ入力させ、
前記第1単一光子検出器、前記第2単一光子検出器、前記第3単一光子検出器、前記第4単一光子検出器で光子を検出する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の多端末量子鍵配送システム。
【請求項６】
Nを2以上の整数とし、f bit/sを量子暗号鍵の想定最大鍵生成レートとして、
2Nf Hz以上の光周波数領域を有する量子もつれ光子対を発生する量子もつれ光源、該量子もつれ光源の出力を受け入れて2分岐する1×2光カプラと、互いにドロップ波長が異なる2N個の双方向型送受信端末を含む閉ループ型量子鍵配送伝送系、及び制御ユニットを備え、
2N個の前記双方向型送受信端末のそれぞれは、第1及び第2光サーキュレータと、ドロップ波長が変更可能である第1波長可変光アドドロップフィルタ及び第1量子鍵受信装置を備える第1受光転送ブロックと、ドロップ波長が変更可能である第2波長可変光アドドロップフィルタ及び第2量子鍵受信装置を備える第2受光転送ブロックとを備え、
前記閉ループ型量子鍵配送伝送系は、前記1×2光カプラと2N個の前記双方向型送受信端末を含む閉ループとして形成されており、
2N個のそれぞれの双方向型送受信端末が供える前記第1及び第2量子鍵受信装置は、隣接する前記双方向型送受信端末又は前記1×2光カプラからの出力光を受け入れて光子検出を行うと共に、量子暗号鍵を生成するための測定基底情報を発信し、かつ他の双方向型送受信端末からの測定基底情報を受信し、更に誤り訂正及び秘匿増幅機能を実行するための信号処理回路をそれぞれ含み、
前記制御ユニットは、2N個の前記双方向型送受信端末がそれぞれ備える前記第1及び第2波長可変光アドドロップフィルタのドロップ波長の選択を行い、かつ2N個の前記双方向型送受信端末から出力される測定基底情報を受け取り、対応する別の双方向型送受信端末へ転送し、
2N個の前記双方向型送受信端末の任意の2双方向型送受信端末間での量子鍵配送を実行し、かつ複数の2双方向型送受信端末間で同時に量子鍵配送を実行する
ことを特徴とする多端末量子鍵配送システム。
【請求項７】
前記双方向型送受信端末は、
前記第1光サーキュレータ、前記第2光サーキュレータ、前記第1受光転送ブロック、前記第2受光転送ブロックを備え、
前記第1受光転送ブロックは前記第1量子鍵受信装置と前記第1波長可変光アドドロップフィルタを備えており、前記第2受光転送ブロックは前記第2量子鍵受信装置と前記第2波長可変光アドドロップフィルタを備えており、
前記第1光サーキュレータの第1ポートが前記第1波長可変光アドドロップフィルタのスルーポートに結合され、第3ポートが前記第2波長可変光アドドロップフィルタの入力ポートに結合され、
前記第2光サーキュレータの第1ポートが前記第2波長可変光アドドロップフィルタのスルーポートに結合され、第3ポートが前記第1波長可変光アドドロップフィルタの入力ポートに結合され、
前記第1波長可変光アドドロップフィルタのドロップポートには前記第1量子鍵受信装置が接続され、前記第2波長可変光アドドロップフィルタのドロップポートには前記第2量子鍵受信装置が接続されており、
前記閉ループ型量子鍵配送伝送系は、
量子もつれ光を伝搬させる光伝送路によって、前記1×2光カプラの第1光入出力端と1番目の前記双方向型送受信端末の第1光サーキュレータの第2ポートを接続し、1番目の前記双方向型送受信端末の第2光サーキュレータの第2ポートと2番目の前記双方向型送受信端末の第1光サーキュレータの第2ポートと接続し、順次、(2N-1)番目の前記双方向型送受信端末の第2光サーキュレータの第2ポートと2N番目の前記双方向型送受信端末の第1光サーキュレータの第2ポートと接続し、2N番目の前記双方向型送受信端末の第2光サーキュレータの第2ポートと前記1×2光カプラの第2光入出力端を接続して、前記1×2光カプラと2N個の前記双方向型送受信端末を含む閉ループとして形成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の多端末量子鍵配送システム。
【請求項８】
前記第1及び第2波長可変光アドドロップフィルタは、
誘電体多層膜フィルタを備え、当該誘電体多層膜フィルタの透過光出力をスルー光として出力させ、反射光出力をドロップ光として出力させる
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の多端末量子鍵配送システム。
【請求項９】
前記第1及び第2波長可変光アドドロップフィルタは、
光サーキュレータと波長可変ブラッグ反射鏡とを備え、
前記光サーキュレータの第1ポートに入力された光は第2ポートから出力され、第2ポートに入力された光は第3ポートから出力され、
前記光サーキュレータの第2ポートには前記波長可変ブラッグ反射鏡が接続されており、前記光サーキュレータの第2ポートから出力された光のうち、前記波長可変ブラッグ反射鏡のブラッグ波長と一致した波長成分はブラッグ反射され再度前記光サーキュレータの第2ポートに入力されて第3ポートからドロップ光として出力され、
ブラッグ波長以外の成分は前記波長可変ブラッグ反射鏡を透過してスルー光として出力される
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の多端末量子鍵配送システム。
【請求項１０】
前記第1及び第2量子鍵受信装置は、
ハーフミラー、1/2波長板、第1偏光分離回路、第2偏光分離回路、第1単一光子検出器、第2単一光子検出器、第3単一光子検出器、第4単一光子検出器を備え、
当該量子鍵受信装置に到来した光子は前記ハーフミラーによって確率的に２つのパスに分けられ、一方のパスは前記第1偏光分離回路に導かれ、他方のパスは前記1/2波長板を通過して前記第2偏光分離回路に導かれ、
前記第1偏光分離回路は、一方のパスを通った光子を確率的に互いに直交する偏光成分に分離して、前記第1単一光子検出器、前記第2単一光子検出器にそれぞれ入力させ、
前記第2偏光分離回路も、他方のパスに導かれ前記1/2波長板を通過した光子を確率的に互いに直交する偏光成分に分離して、前記第3単一光子検出器、前記第4単一光子検出器にそれぞれ入力させ、
前記第1単一光子検出器、前記第2単一光子検出器、前記第3単一光子検出器、前記第4単一光子検出器で光子を検出する
ことを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の多端末量子鍵配送システム。
【請求項１１】
前記量子もつれ光源は、
波長分割多重フィルタ、偏波分離合成回路、二次非線形光学媒体、90度偏波面回転及び光位相調整部、及びローパス光フィルタを備え、
前記偏波分離合成回路、前記二次非線形光学媒体、前記90度偏波面回転及び前記光位相調整部からサニャック型光干渉計が構成されており、
当該量子もつれ光源への入力励起光は、前記波長分割多重フィルタを通過して、45度偏光の励起光となって、前記偏波分離合成回路に入力され、
前記偏波分離合成回路で前記45度偏光の励起光は、前記サニャック型光干渉計を右回りするp偏光と左回りするs偏光に分岐されてそれぞれ当該サニャック型光干渉計を周回し、
前記二次非線形光学媒体で発生したシグナル光とアイドラー光は、前記波長分割多重フィルタで反射されて前記ローパス光フィルタで前記入力励起光の波長成分が除去されて、シグナル光とアイドラー光が量子もつれ光子対として出力される
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の多端末量子鍵配送システム。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、量子もつれ光子対を用いた量子鍵配送システムに関し、複数の端末のうち任意の２端末間での量子鍵配送を可能とし、更に前述の２端末とは異なる２端末間でも同時に異なる暗号鍵共有を可能とする多端末量子鍵配送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子暗号システムは究極の秘匿通信の実現が期待でき、将来の高セキュリティー情報通信システムへの応用が期待されている。量子暗号システムによって、情報漏洩のない安全な暗号通信を実現するためには、情報の暗号化・復号化に利用する暗号鍵を盗聴者などの第三者に知られることなく送信者・受信者が共有することが可能な量子鍵配送システムが必須である。
【０００３】
量子鍵配送システムは、物理法則に則って究極の安全性が保障された暗号鍵配送システムとして注目され、将来の情報通信システムへの応用を目指した研究開発が最近活発化している（例えば、特許文献１〜３参照）。量子鍵配送システムは、理想的には１パルスあたり１個の光子を発生する単一光子源、あるいは１パルスあたり１組の量子もつれ光子対を発生する量子もつれ光源を用いて実現される。
【０００４】
単一光子源を用いる場合、送信者が単一光子を発生させ、受信者がそれを単一光子検出器で受光する。あるいは、受信者が単一光子を発生させ、送信者がそれを単一光子検出器で受光する。その後、測定基底情報の交換や誤り訂正、秘匿増幅のプロセスを経て最終的な暗号鍵の共有を行う。秘匿増幅とは、盗聴者に部分的に知られたビット列を適宜捨てて短くすることで、情報理論的に安全な秘密鍵を生成する技術である。
【０００５】
一方、量子もつれ光源を用いる場合、送受信者がそれぞれの量子もつれ光子対となる光子の一方ずつ（それぞれをシグナル光、アイドラー光と呼ぶ）を単一光子受信器で受光することにより暗号鍵の共有を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−０４９８９０号公報
【特許文献２】特開２０１２−００４９５５号公報
【特許文献３】特開２０１４−０８６８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、暗号鍵を共有したい送受信者が複数存在する場合を想定し、これら複数の送受信者が任意の組み合わせで、しかも異なる送受信者の組が同時に暗号鍵を共有するための暗号鍵共有セッション(暗号鍵を共有するための一連の通信プロセス)を行うことを考える。
【０００８】
単一光子発生装置を用いた量子鍵配送システムにおいて、上述のセッションを実行することは可能である。すなわち、暗号鍵を共有する送受信者は、単一光子源と単一光子検出器の両方を含んだ送受信端末を用意する。そして送受信者は、暗号鍵共有セッションごとに、単一光子発生もしくは受信のどちらかの役割を担いながら各セッションを行う。送受信者は、暗号鍵共有セッションごとに、送信者あるいは受信者のどちらかの役割を担うことになるので、単一光子源と単一光子検出器の両方を備えた送受信端末が必要となる。
【０００９】
しかしながら、上述の量子暗号システムにおいては、それぞれの端末が単一光子発生装置と単一光子検出器の両方を備える必要があるので、システムは高コスト化し、またそのサイズも大きなものとなる。
【００１０】
経済合理性にかなう実用的な量子暗号システムを実現するにあっては、単純な構成であって簡便かつ低コストで、複数の端末の任意の端末間で量子鍵配送を可能とすることが求められる。また、複数の２端末間で同時に量子鍵配送を可能とする多端末量子鍵配送システムの実現が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この出願の発明者は、多端末量子鍵配送システムを2N個(Nは2以上の整数)の光アドドロップフィルタを利用して構成することに思い至った。そして、暗号鍵共有セッションで2N個の波長可変光アドドロップフィルタのドロップ波長λ1を、量子もつれ光として互いに対となるシグナル光の波長λs1〜λsN、アイドラー光の波長λi1〜λiNのいずれか一つに一致させ、かつ重複がないように設定できれば、2NのユーザのうちN組のユーザ間で、同時に量子鍵配送による暗号鍵共有が可能となることに着目した。そして、複数の端末間で同時に量子鍵配送が可能であることを確信した。
【００１２】
また、アドドロップフィルタのドロップ波長をλs1〜λsN、λi1〜λiNのいずれにも任意に一致させることができれば、任意のユーザ間で暗号鍵共有が実現可能であることに思い至った。
【００１３】
従って、この発明の目的は、複数の端末の任意の２端末間で量子鍵配送が可能であって、複数の２端末間で同時に量子鍵配送を可能とする多端末量子鍵配送システムを提供することにある。
【００１４】
そこで、この発明の要旨によれば、以下の構成の多端末量子鍵配送システムが提供される。
【００１５】
この発明の第1の多端末量子鍵配送システムは、量子もつれ光源、直列型量子鍵配送伝送系、及び制御ユニットを備え、2N個の送受信端末の任意の2送受信端末間での量子鍵配送を実行し、かつ複数の2送受信端末間で同時に量子鍵配送を実行するシステムである。
【００１６】
量子もつれ光源は、2Nf Hz以上の光周波数領域を有する量子もつれ光子対を発生する。ここで、Nは2以上の整数であり、f bit/sは量子暗号鍵の想定最大鍵生成レートである。
【００１７】
直列型量子鍵配送伝送系は、波長可変光アドドロップフィルタ及び量子鍵受信装置を備えた互いにドロップ波長が異なる2N個の送受信端末を含み、2N個の当該送受信端末が直列に配列されている。
【００１８】
各送受信端末は、波長可変光アドドロップフィルタのドロップポートからの出力光を受信して光子検出を行うと共に、量子暗号鍵を生成するための測定基底情報を発信し、かつ他の量子鍵受信装置からの測定基底情報を受信し、更に誤り訂正及び秘匿増幅機能を実行するための信号処理回路を内包する量子鍵受信装置を備えている。
【００１９】
制御ユニットは、2N個のそれぞれの送受信端末が備えている波長可変光アドドロップフィルタに対してドロップ波長の選択を行い、かつ2N個の量子鍵受信装置から出力されるそれぞれの測定基底情報を受け取り、対応する別の量子鍵受信装置へ転送し、量子鍵受信装置を備える2N個の送受信端末の任意の2送受信端末間での量子鍵配送を実行し、かつ複数の2送受信端末間で同時に量子鍵配送を実行する。
【００２０】
この発明の第2の多端末量子鍵配送システムは、量子もつれ光源、この量子もつれ光源の出力を受け入れて2分岐する1×2光カプラと、互いにドロップ波長が異なる2N個の双方向型送受信端末を含む閉ループ型量子鍵配送伝送系、及び制御ユニットを備え、2N個の双方向型送受信端末の任意の2双方向型送受信端末間での量子鍵配送を実行し、かつ複数の2双方向型送受信端末間で同時に量子鍵配送を実行するシステムである。
【００２１】
量子もつれ光源は、2Nf Hz以上の光周波数領域を有する量子もつれ光子対を発生する。
【００２２】
2N個の双方向型送受信端末のそれぞれは、第1及び第2光サーキュレータと、ドロップ波長が変更可能である第1波長可変光アドドロップフィルタ及び第1量子鍵受信装置を備える第1受光転送ブロックと、ドロップ波長が変更可能である第2波長可変光アドドロップフィルタ及び第2量子鍵受信装置を備える第2受光転送ブロックとを備えている。
【００２３】
閉ループ型量子鍵配送伝送系は、1×2光カプラと2N個の双方向型送受信端末を含む閉ループとして形成されている。
【００２４】
2N個のそれぞれの双方向型送受信端末が供える第1及び第2量子鍵受信装置は、隣接する双方向型送受信端末又は1×2光カプラからの出力光を受け入れて光子検出を行うと共に、量子暗号鍵を生成するための測定基底情報を発信し、かつ他の双方向型送受信端末からの測定基底情報を受信し、更に誤り訂正及び秘匿増幅機能を実行するための信号処理回路をそれぞれ含んでいる。
【００２５】
制御ユニットは、2N個の双方向型送受信端末がそれぞれ備える第1及び第2波長可変アドドロップフィルタのドロップ波長の選択を行い、かつ2N個の双方向型送受信端末から出力される測定基底情報を受け取り、対応する別の双方向型送受信端末へ転送し、2N個の双方向型送受信端末の任意の2双方向型送受信端末間での量子鍵配送を実行し、かつ複数の2双方向型送受信端末間で同時に量子鍵配送を実行する。
【発明の効果】
【００２６】
この発明の第1あるいは第2の多端末量子鍵配送システムによれば、量子もつれ光源によって2Nf Hz以上の光周波数領域にわたる量子もつれ光子対が提供される。そして、第1の多端末量子鍵配送システムは、それぞれドロップ波長が異なる2N個の送受信端末が直列に接続された直列型量子鍵配送伝送系を備えている。また、第2の多端末量子鍵配送システムは、それぞれドロップ波長が異なる2N個の双方向型送受信端末を含む閉ループとして形成された閉ループ型量子鍵配送伝送系を備えている。
【００２７】
そして、波長可変光アドドロップフィルタ（第2の多端末量子鍵配送システムにあっては第1及び第2波長可変光アドドロップフィルタ）のドロップ波長は変更可能であるから、第1あるいは第2の多端末量子鍵配送システムでは、同一の暗号鍵共有セッションで、2N個の端末（送受信端末あるいは双方向型送受信端末）のそれぞれのドロップ波長λ1を、シグナル光の波長λs1〜λsN、アイドラー光の波長λi1〜λiNのいずれかに一致し、かつ重複がないように設定できる。したがって、2Nのユーザのうち任意のN組のユーザ間で、同時に量子鍵配送による暗号鍵共有が可能となる。
【００２８】
すなわち、この発明の第1あるいは第2の多端末量子鍵配送システムによれば、量子もつれ光源から出力された量子もつれ光子対は、2N個の量子鍵受信装置(第2の多端末量子鍵配送システムにあっては双方向型量子鍵受信装置)に送信され、量子もつれ光を受信した量子鍵受信装置を含んだ送受信端末を有するユーザが、量子暗号鍵を共有する送受信者となる。また、量子鍵受信装置が備える信号処理回路によって、他の量子鍵受信装置から送られてくる測定基底情報を受信して、かつ測定基底情報を他の量子鍵受信装置に送り、また送受信者の測定基底が合致している時間情報を判別して他の量子鍵受信装置に送り、測定基底が合致している時間に観測した光子のビットのみを残して篩鍵(Sifted key)を生成する鍵蒸留プロセスが実行される。そして、制御ユニットによって、量子鍵受信装置のそれぞれにおける鍵蒸留プロセスが制御され、同時量子鍵配送が実現される。
【００２９】
この発明の第1の多端末量子鍵配送システムでは、2N個の送受信端末が直列に接続された直列型量子鍵配送伝送系が採用されえているので、送受信端末間を接続する光伝送路の一部に破損や切断等が生じると、それ以降の送受信端末には量子もつれ光は到達せず量子鍵配送は実行できない。そこで、第2の多端末量子鍵配送システムでは、構成が複雑になるが、2N個の送受信端末を閉ループ状に接続した閉ループ型量子鍵配送伝送系を採用している。これによって、送受信端末間を接続する光伝送路の一部に破損や切断等が生じ右回りの量子鍵配送は実行できない場合であっても、左回りの量子鍵配送が実行可能とされている。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の第1の多端末量子鍵配送システムの基本構成を概略的に示すブロック構成図である。
【図２】波長可変光アドドロップフィルタ（第2の多端末量子鍵配送システムにあっては第1及び第2波長可変光アドドロップフィルタ）の動作の説明に供する図である。
【図３】自然パラメトリック下方変換(SPDC)を利用する量子もつれ光源の基本構成を概略的に示すブロック構成図である。
【図４】波長可変光アドドロップフィルタ（第2の多端末量子鍵配送システムにあっては第1及び第2波長可変光アドドロップフィルタ）の構成例を示す概略的構成図であり、(A)は光バンドパスフィルタを利用して構成する例を示し、(B)は光サーキュレータとブラッグ反射鏡を利用して構成する例を示している。
【図５】量子鍵受信装置(第2の多端末量子鍵配送システムにあっては双方向型量子鍵受信装置)の基本構成を概略的に示す構成図である。
【図６】この発明の第2の多端末量子鍵配送システムの基本構成を概略的に示すブロック構成図である。
【図７】この発明の第2の多端末量子鍵配送システムの双方向型送受信端末の基本構成を概略的に示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図１〜図７を参照してこの発明の実施形態につき説明する。以下の説明において、特定の素子及び動作条件などを取り上げることがあるが、これら素子及び動作条件は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。
【００３２】
＜第1の多端末量子鍵配送システムの基本構成＞
図１を参照してこの発明の第1の多端末量子鍵配送システムの基本構成について説明する。第1の多端末量子鍵配送システムは、量子もつれ光源1、直列型量子鍵配送伝送系20、及び制御ユニット4を備えている。
【００３３】
量子もつれ光源1は、量子もつれ光子対を発生する。この光子対の光周波数帯域は、生成する量子暗号鍵の想定最大鍵生成レートをf bit/s、量子暗号鍵を共有する端末数を2Nとすれば、2Nf Hz以上である。ここで、１対１通信で同時に通信可能とする、2N個の端末から２端末を選んで形成される２端末間接続の組は全部でN組であり、このN組で暗号鍵共有セッションを実行することができる。
【００３４】
量子暗号鍵の想定最大鍵生成レートとは、量子もつれ光子対を生成するために利用される励起光パルス光源（図示を省略してある）の繰り返し周波数と、光子を受信する単一光子検出器に係る周期的ゲートの繰り返し周波数とのいずれか小さい方の値を意味する。これはすなわち、量子もつれ光をなんら損失なく全て単一光子検出器で検出できた場合の光子の検出レートを1パルス当たりの平均光子数で除した値に相当する。
【００３５】
直列型量子鍵配送伝送系20は2N個の送受信端末20-1〜20-2Nを含み、送受信端末20-1は波長可変光アドドロップフィルタA1及び量子鍵受信装置B1を備え、送受信端末20-2は波長可変光アドドロップフィルタA2及び量子鍵受信装置B2を備え、以下同様に送受信端末20-2Nは波長可変光アドドロップフィルタA2N及び量子鍵受信装置B2Nを備えている。そして、直列型量子鍵配送伝送系20は、量子もつれ光を伝搬させる光伝送路(量子チャンネル2)によって、1番目の送受信端末20-1の波長可変光アドドロップフィルタA1のスルーポートと2番目の送受信端末20-2の波長可変光アドドロップフィルタA2の入力ポートを接続し、2番目の送受信端末20-2の波長可変光アドドロップフィルタA2のスルーポートと3番目の送受信端末20-3の波長可変光アドドロップフィルタA3の入力ポートを接続し、順次、光学的に(2N-1)番目の送受信端末2N-1の波長可変光アドドロップフィルタA2N-1のスルーポートと2N番目の送受信端末20-2Nの波長可変光アドドロップフィルタA2Nの入力ポートを接続して、1番目の送受信端末20-1から2N番目の送受信端末20-2Nまでを量子もつれ光が伝搬する光伝送路によって直列に接続されて形成されている。量子もつれ光源1から出力される量子もつれ光は1番目の送受信端末20-1の波長可変光アドドロップフィルタA1の入力ポートに入力される。
【００３６】
各量子鍵受信装置では、それぞれの量子鍵受信装置が内包する信号処理回路によって、波長可変光アドドロップフィルタのドロップポートからの出力光を受け入れて光子検出を行うと共に、量子暗号鍵を生成するための測定基底情報を発信し、かつ他の量子鍵受信装置からの測定基底情報を受信し、更に誤り訂正及び秘匿増幅機能が実行される。
【００３７】
制御ユニット4は、2N個のそれぞれの送受信端末が備えている波長可変光アドドロップフィルタに対してドロップ波長の選択を行い、かつ2N個の量子鍵受信装置から出力されるそれぞれの測定基底情報を受け取り、対応する別の量子鍵受信装置へ転送し、量子鍵受信装置を備える2N個の送受信端末の任意の2送受信端末間での量子鍵配送を実行し、かつ複数の2送受信端末間で同時に量子鍵配送を実行する。
【００３８】
量子もつれ光源1から出力される量子もつれ光は、二次非線形光デバイスにおける自然パラメトリック下方変換（Spontaneous Parametric Down Conversion、以下SPDCと略することもある）により発生させるものとする。量子もつれ光源1から出力される量子もつれ光の光スペクトル特性は、図１中で横軸を波長軸として模式的に曲線100として示されている。
【００３９】
いま、SPDC過程における励起光の波長をλpとすると、量子もつれ光の光スペクトルは波長2λpに対して対称に生じる。励起光の光周波数（c/λp、ここでcは光速）に対して対称な光周波数成分がSPDC過程によって同時生成された相関光子対で、量子もつれ光の元になる光成分である。ここでは便宜上、2λpより長波長側の波長領域をアイドラー光領域、2λpより短波長側の波長領域をシグナル光領域と呼ぶこととする。
【００４０】
シグナル光領域中のある波長成分λskとアイドラー光領域中のある波長成分λik（ただし、k=1, 2, 3,…,2N）がSPDCによって同時に生じた光子対である場合、エネルギー保存則によって以下の式（1）の関係式を満たす。
1/λsk＋1/λik＝1/λp              （1）
式(1)を光周波数によって表現すれば、次式(2)となる。
fsk＋fik＝fp                      （2）
そして、上記式（1）を満足するシグナル光の波長、アイドラー光の波長の組み合わせ（λsk、λik）として、それぞれ波長が異なるN個の組み合わせ（λs1、λi1）〜（λsN、λiN）が量子もつれ光源1によって提供できるものとする。そしてこれら2N個の波長のうち、最も短波長側の波長をλmin、最も長波長側の波長をλmaxとしたとき、それらの光周波数の差は2Nf以下であるとする。すなわち、次式(3)
c/λmin＋c/λamx≦ 2Nf                      （3）
が満たされるものとする。
【００４１】
次に、ドロップ波長が可変な波長可変光アドドロップフィルタA1〜A2Nの動作について図２を参照して説明する。例えば、波長可変光アドドロップフィルタA1は、図２に示すように、入力光成分のうち、ドロップ波長成分λ1近傍の光波長成分のみをドロップポートに出力し、それ以外の波長成分はスルーポートへと出力する。ドロップポートへ出力される光の周波数帯域は、f Hz以上とする。図２では、入力光成分の光スペクトル100、及びドロップポートから出力されるドロップ光の光スペクトル200、並びにスルーポートから出力されるスルー光の光スペクトル300の概略的形状を、挿入図面を用いて模式的に、横軸に波長をとって示してある。
【００４２】
そして、ドロップ波長λ1は、上記のシグナル光の波長λs1〜λsN、アイドラー光の波長λi1〜λiNのいずれか一つに一致し、かついずれの一つにも任意に一致させることができるものとする。また、一回の暗号鍵共有セッション毎に、これら2N個の波長可変光アドドロップフィルタのドロップ波長は、いずれも異なる値をとるものとする。
【００４３】
これら2N個の波長可変光アドドロップフィルタを、それぞれの入力ポートとスルーポートを自由空間、光ファイバなどを介して順次光学的に接続していくことで、量子鍵配送プロセスにおいて量子もつれ光を伝搬する量子鍵配送伝送系が量子チャンネル2を介して形成される。すなわち、2N個の送受信端末20-1〜20-2Nは光ファイバなどを介して順次光学的に接続されて直列型量子鍵配送伝送系20を形成している。
【００４４】
波長可変光アドドロップフィルタA1〜A2Nのそれぞれのドロップポートからの出力は、それぞれ対応する単一光子検出器を含む量子鍵受信装置B1〜B2Nに結合されている。また量子鍵受信装置B1〜B2Nは、古典チャンネル3を介して制御ユニット4に結合されている。制御ユニット4は、波長可変光アドドロップフィルタA1〜A2Nのそれぞれのドロップ波長の切り替え動作や、また、量子鍵受信装置B1〜B2Nにおける測定基底情報の取得・交換やその後の誤り訂正プロセスなどを実行する。
【００４５】
ここで、量子チャンネルとは、量子状態の伝送を目的としない古典的な情報転送の経路を古典チャンネルと呼ぶのに対して、量子もつれという量子状態を伝送する伝送経路を区別するための用語である。すなわち、量子チャンネルとは、量子もつれの効果を利用して離れた場所に量子的に情報を送る伝送経路を意味する。古典チャンネルを伝搬する情報は途中で盗聴されてもそれによって情報が破損され失われることはない。これに対して、量子もつれ光は量子チャンネルのどこかで観測(盗聴)されると量子もつれ関係にある２光子間(シグナル光子とアイドラー光子間)のEPR(Einstein-Podolsky-Rosen)相関が消失し、量子もつれという量子状態が破損され情報が失われる。
【００４６】
＜第1の多端末量子鍵配送システムの動作原理＞
一般にSPDC過程は広い光スペクトルを有することが知られている。一例として、長さ6cmの周期分極反転リチウム・ナイオベイト導波路からは、1550nm帯で波長領域にして60nm程度のSPDC光が生成されることが、この発明の発明者らの研究によって明らかとなっている（非特許文献１：S. Arahira, N. Namekata, T. Kishimoto, H. Yaegashi, and S. Inoue, “Generation of polarization entangled photon pairs at telecommunication wavelength using cascaded χ(2) processes in a periodically poled LiNbO3 ridge waveguide”, Optics express vol. 19, No. 17, pp. 16032-16043, 2011を参照）。
【００４７】
ここで、量子もつれ光源1から出力される出力光の光スペクトルを0.4 nm毎に刻み、それぞれの波長を上記のシグナル光の波長λs1〜λsN、アイドラー光の波長λi1〜λiNに相当させることを想定すると、この光源を用いてN=60/0.4/2=75組程度のユーザを収納することが可能である。ここで、0.4 nm毎の刻みは一般的な波長分割多重（WDM：Wavelength Division Multiplexing)光通信の波長グリッドである。
【００４８】
SPDC過程を利用する量子もつれ光源1は、例えば、図３に示すように形成できる。図３に示す量子もつれ光源は、偏光量子もつれ光子対を発生させる光源であって、WDMフィルタ504、偏波分離合成回路501、周期分極反転リチウム・ナイオベイト導波路を利用した二次非線形光学媒体502、90度偏波面回転及び光位相調整部503、及びローパス光フィルタ505を備え、偏波分離合成回路501、二次非線形光学媒体502、90度偏波面回転及び光位相調整部503からサニャック型光干渉計を構成することによって形成される（特許文献１、及び非特許文献２：H. C. Lim, A. Yoshizawa, H. Tsuchida, and K. Kikuchi, "Stable source of high quality telecom-band polarization-entangled photon-pairs based on a single, pulse-pumped, short PPLN waveguide," Optics Express, vol. 16, No. 17, pp. 12460-12468, 2008を参照）。
【００４９】
波長λpの入力励起光は、WDMフィルタ504を通過して、45度偏光の励起光となり、偏波分離合成回路501に入力される。偏波分離合成回路501で45度偏光の励起光は、サニャック型光干渉計を右回りするp偏光と左回りするs偏光に分岐されてそれぞれサニャック型光干渉計を周回する。二次非線形光学媒体502で発生したシグナル光とアイドラー光は、WDMフィルタ504で反射されてローパス光フィルタ505で波長λpの入力励起光が除去されて、シグナル光とアイドラー光が量子もつれ光として出力される。
【００５０】
この量子もつれ光源1からの量子もつれ光子対を、波長可変光アドドロップフィルタ(A1、A2、…、A2N)を順次通過させる。ここで仮に、波長可変光アドドロップフィルタA1のドロップ波長をλs1に設定したとする。このとき、ドロップポートに接続される量子鍵受信装置B1に含まれる単一光子検出器は、量子もつれ光のうち波長λs1の成分のみを受光することになる。
【００５１】
一方、波長可変光アドドロップフィルタA1のスルーポートから出力されるその他の波長成分は、順次、波長可変光アドドロップフィルタ(A2、A3、…A2N)へと送られる。そして、それぞれのドロップ波長と一致する波長成分はドロップポートへと出力され、それぞれ接続されている量子鍵受信装置によって受光される。
【００５２】
2N個の波長可変光アドドロップフィルタは、それぞれドロップ波長が異なるため、シグナル光の波長λs1〜λsN、アイドラー光の波長λi1〜λiNの波長成分は、それぞれ量子鍵受信装置B1、B2、…、B2Nのいずれか一つの量子鍵受信装置で受信され、重複することはない。
【００５３】
ここで仮に、波長可変光アドドロップフィルタA4のドロップ波長をλi1に設定したとする。このとき、ドロップポートに接続される量子鍵受信装置B4に含まれる単一光子検出器は、波長λi1の成分のみを受光する。
【００５４】
そして、このとき、量子鍵受信装置B1が受光した波長成分と量子鍵受信装置B4が受光した波長成分は、式(1)の関係を満たし、すなわちこの両者は量子もつれ状態にある光子対のそれぞれ一方を受信したことになる。その結果、量子鍵受信装置B1を有するユーザと量子鍵受信装置B4を有するユーザは、既知の量子鍵配送のプロトコルに従い、測定基底情報の取得・交換やその後の誤り訂正プロセスなどを実行することで暗号鍵共有が可能となる。
【００５５】
一方、仮に、同じ暗号鍵共有セッションで、波長可変光アドドロップフィルタA2のドロップ波長をλi4に設定し、波長可変光アドドロップフィルタA6のドロップ波長をλs4に設定したとする。この時、両者の波長成分はやはり式(1)の関係を満たすため、この両者は量子もつれ状態にある光子対のそれぞれ一方を受信したことになり、結果、量子鍵受信装置B2を有するユーザと量子鍵受信装置B6を有するユーザは暗号鍵共有が可能となる。
【００５６】
以上の考察から、同一の暗号鍵共有セッションで、2N個の波長可変光アドドロップフィルタのドロップ波長λ1を、上記のシグナル光の波長λs1〜λsN、アイドラー光の波長λi1〜λiNのいずれか一つに一致し、かつ重複がないように設定できれば、2NのユーザのうちN組のユーザ間で、同時に量子鍵配送による暗号鍵共有が可能であることがわかる。そして上述した一例でいえば、例えば、量子鍵受信装置B1と量子鍵受信装置B6を持つユーザ間の暗号鍵共有セッションでは、受光する光の波長が式(1)の関係をみたさないため、量子もつれ状態にある光子対のそれぞれ一方を受信したことにならず、暗号鍵共有は不可能となる。すなわち、N組のユーザはそれぞれ相関のない、安全な暗号鍵共有を同時に実行できることになる。
【００５７】
また波長可変光アドドロップフィルタのドロップ波長が可変であり、ドロップ波長をλs1〜λsN、λi1〜λiNのいずれにも任意に一致させることができれば、任意の量子鍵受信装置の組み合わせ、すなわち任意のユーザの組み合わせで暗号鍵共有が可能となる。
【００５８】
図４を参照して、上述の波長可変光アドドロップフィルタA1〜A2Nの構成例を説明する。
【００５９】
図４(A)に示す波長可変光アドドロップフィルタは、誘電体多層膜フィルタで構成される光バンドパスフィルタ5を用いた構成である。誘電体多層膜フィルタの透過光出力をスルー光として出力させ、反射光出力をドロップ光として出力させることで、本発明で所望とする光アドドロップ機能が実現できる。そしてたとえば、誘電体多層膜フィルタの透過角度を変化させることで、透過波長を変化させることができるので、本発明で所望とする波長可変性を実現できる。
【００６０】
また図４(B)に示す波長可変光アドドロップフィルタは、光サーキュレータ6と波長可変ブラッグ反射鏡7を利用した構成である。光サーキュレータ6の第1ポート6-1に入力された光は第2ポート6-2から出力され、第2ポート6-2に入力された光は第3ポート6-3から出力されるものとする。第2ポート6-2には波長可変ブラッグ反射鏡7が接続されている。光サーキュレータ6の第2ポート6-2から出力された光のうち、波長可変ブラッグ反射鏡7のブラッグ波長と一致した波長成分はブラッグ反射され再度第2ポート6-2に入力される。そしてこの波長成分は光サーキュレータ6の第3ポート6-3に出力される。一方、ブラッグ波長以外の成分は波長可変ブラッグ反射鏡7を透過して出力される。従って、光サーキュレータ6の第3ポート6-3をドロップポート、波長可変ブラッグ反射鏡7の透過光の出力ポートをスルーポートとして利用することができる。
【００６１】
このような波長可変ブラッグ反射鏡7としては、ファイバグレーティングや、ガラス導波路や半導体導波路上に形成された回折格子等を利用できる。例えばマイクロヒータによる加熱や、また電流・電圧印加による方法（半導体の場合）によって屈折率を変化させることでブラッグ波長を変化させることが可能であり、これによって波長可変特性を得ることができる。
【００６２】
制御ユニット4は、暗号鍵を共有するユーザの組み合わせを決定すべく波長可変光アドドロップフィルタAk（ただし、k=1, 2, 3,…, 2N）のドロップ波長を制御する。また、制御ユニット4を利用して、古典チャンネル3を通じて量子鍵受信装置(B1、B2、…、B2N)における測定基底情報を収集し、篩鍵の生成やその後の誤り訂正プロセスなどを制御する。
【００６３】
図５を参照して、偏光量子もつれ光を受信する量子鍵受信装置Bkの典型的な装置構造について説明する。偏光量子もつれ光を受信する量子鍵受信装置Bkは、ハーフミラー401、1/2波長板402、第1偏光分離回路403、第2偏光分離回路404、第1単一光子検出器405、第2単一光子検出器406、第3単一光子検出器407、及び第4単一光子検出器408を備えている。
【００６４】
到来した光子はハーフミラー401によって確率的に２つのパスに分けられ、一方のパスを通った光子は第1偏光分離回路403に導かれ、他方のパスを通った光子は1/2波長板402を通過して第2偏光分離回路404に導かれる。
【００６５】
第1偏光分離回路403は、上述の一方のパスを通った光子を確率的に互いに直交する偏光成分に分離して、第1単一光子検出器405、第2単一光子検出器406にそれぞれ入力させる。一方、第2偏光分離回路404も、上述の他方のパスに導かれ1/2波長板402を通過した光子を確率的に互いに直交する偏光成分に分離して、第3単一光子検出器407、第4単一光子検出器408にそれぞれ入力させる。
【００６６】
偏光量子もつれ光を受信する量子鍵受信装置Bkが、上述した構成をとることで、ハーフミラー401と1/2波長板402とで、測定基底を自動的に選択する仕組みとなっている。すなわち、単一光子検出器405もしくは406の検出器が光子を検出した場合、測定基底は縦・横偏波基底であり、一方、単一光子検出器407もしくは408の検出器が光子を検出した場合、測定基底は斜め45度偏波基底である。
【００６７】
そして偏光量子もつれ光を受信する量子鍵受信装置Bkを備える送受信端末を有する送受信者は、信号処理回路409と古典チャンネル3を介して測定基底情報を制御ユニット4等に送る。制御ユニット4で送受信者の測定基底が合致している時間情報を判別してそれを送受信者におくる。そして、測定基底が合致しているとき（たとえば縦・横偏波基底）には、送受信者は必ず同じ単一光子検出器（405もしくは406）で光子を検出するはずなので、例えば第1単一光子検出器405が検出した場合はビット「1」、第2単一光子検出器406が検出した場合はビット「0」とすることでランダムなビット列を共有できる。これによって、制御ユニット4と信号処理回路409間での古典チャンネル3を介した相互通信及び信号処理により誤り訂正や秘匿増幅などの鍵蒸留プロセスを経た後、最終的な量子暗号鍵を共有することができる。もちろん、このようなプロセスは制御ユニット4を介さず、ペアとなるユーザが直接的に相互通信を行うことでも実行できる。この場合、測定基底情報の交換などの制御ユニット4の機能の一部を信号処理回路409に担わせればよい。
【００６８】
上述した、量子もつれ光源1、制御ユニット4は、中央制御ユニットのような形態で通信ネットワークの集中ノードなどに配置し、それにより多端末間での量子暗号鍵共有プロセスを一括して管理することができる。この場合、暗号通信を行う送受信者(ユーザ)は光アドドロップフィルタ(A1、A2、…、A2N)、並びに量子鍵受信装置(B1、B2、…、B2N)のみを有することになり、より簡便で低コストに量子鍵配送システムを提供することが可能となる。
【００６９】
＜第2の多端末量子鍵配送システムの基本構成＞
図６を参照してこの発明の第2の多端末量子鍵配送システムの基本構成について説明する。ただし、上述の第1の多端末量子鍵配送システムの基本構成と重複する構成部については説明を省略する。
【００７０】
第2の多端末量子鍵配送システムは、量子もつれ光源1、量子もつれ光源の出力を受け入れて2分岐する1×2光カプラ8と、それぞれドロップ波長が異なる2N個の双方向型送受信端末22-1〜22-2Nを含む閉ループ型量子鍵配送伝送系22、及び制御ユニット4を備えており、2N個の双方向型送受信端末22-1〜22-2Nの任意の2双方向型送受信端末間での量子鍵配送が可能であり、かつ複数の2双方向型送受信端末で同時に量子鍵配送が可能である多端末量子鍵配送システムである。
【００７１】
図６では、双方向型送受信端末22-1〜22-2Nのそれぞれを、上述した第1の多端末量子鍵配送システムの送受信端末20-1〜20-2Nとの関連が付けやすいように示してあり、図７に双方向型送受信端末22-1〜22-2Nのそれぞれの構成を簡略化して示してある。すなわち、図６においては、図７に示す双方向型送受信端末のそれぞれを、双方向型波長可変アドドロップフィルタと双方向型量子鍵受信装置から構成されているものとして示してある。つまり、図６では、双方向型送受信端末22-1は、双方向型波長可変アドドロップフィルタC1と双方向型量子鍵受信装置D1から構成されており、他の双方向型送受信端末22-2〜22-2Nについても同様に構成されているものとして示してある。
【００７２】
図７を参照して双方向型送受信端末の構成について説明する。双方向型送受信端末22-1〜22-2Nのそれぞれは、第1光サーキュレータ9、第2光サーキュレータ10、第1受光転送ブロック31、第2受光転送ブロック32を備えている。そして、第1受光転送ブロック31は第1量子鍵受信装置31-Dと第1波長可変光アドドロップフィルタ31-Fを備えており、第2受光転送ブロック32は第2量子鍵受信装置32-Dと第2波長可変光アドドロップフィルタ32-Fを備えている。
【００７３】
そして、第1光サーキュレータ9の第1ポート9-1が第1波長可変光アドドロップフィルタ31-Fのスルーポートに結合され、第3ポート9-3が第2波長可変光アドドロップフィルタ32-Fの入力ポートに結合されている。また、第2光サーキュレータ10の第1ポート10-1が第2波長可変光アドドロップフィルタ32-Fのスルーポートに結合され、第3ポート10-3が第1波長可変光アドドロップフィルタ31-Fの入力ポートに結合されている。更に、第1波長可変光アドドロップフィルタ31-Fのドロップポートには第1量子鍵受信装置31-Dが接続され、第2波長可変光アドドロップフィルタ32-Fのドロップポートには第2量子鍵受信装置32-Dが接続されている。
【００７４】
第1量子鍵受信装置31-D及び第2量子鍵受信装置32-Dは、いずれも上述の第1の多端末量子鍵配送システムの構成要素である量子鍵受信装置(B1、B2、…、B2N)と同一の構成である。また、第1波長可変光アドドロップフィルタ31-F及び第2波長可変光アドドロップフィルタ32-Fは、いずれも上述の第1の多端末量子鍵配送システムの構成要素である波長可変光アドドロップフィルタ(A1、A2、…、A2N)と同一の構成である。
【００７５】
なお、以下に説明する双方向型波長可変光アドドロップフィルタと双方向型量子鍵受信装置は、図７とは異なる構成であっても同一の機能を果たすことが可能な構成とされていれば如何なる構成であってもかまわない。
【００７６】
図６に示すように、閉ループ型量子鍵配送伝送系22は、量子もつれ光を伝搬させる光伝送路(量子チャンネル2)によって、1×2光カプラ8の第1光入出力端8-1と双方向型波長可変光アドドロップフィルタC1の入力ポートC1-1を接続し、双方向型波長可変光アドドロップフィルタC1のスルーポートC1-2と双方向型波長可変光アドドロップフィルタC2の入力ポートC2-1を接続し、順次双方向型波長可変光アドドロップフィルタC2Nまで接続して、最後に双方向型波長可変光アドドロップフィルタC2NのスルーポートC2N-2と1×2光カプラ8の第2光入出力端8-2を接続して形成される。
【００７７】
双方向型送受信端末22-1〜22-2Nとして図７に示す構成を採用した場合は、閉ループ型量子鍵配送伝送系22は、量子もつれ光を伝搬させる光伝送路によって、1×2光カプラ8の第1光入出力端8-1と1番目の双方向型送受信端末22-1の第1光サーキュレータ9の第2ポート9-2を接続し、1番目の双方向型送受信端末22-1の第2光サーキュレータ10の第2ポート10-2と2番目の双方向型送受信端末22-2の第1光サーキュレータ9の第2ポート9-2と接続し、順次、(2N-1)番目の双方向型送受信端末22−(2N-1)の第2光サーキュレータ10の第2ポート10-2と2N番目の双方向型送受信端末22−2Nの第1光サーキュレータ9の第2ポート9-2と接続し、2N番目の双方向型送受信端末22-2Nの第2光サーキュレータ10の第2ポート10-2と1×2光カプラ8の第2光入出力端8-2を接続して、1×2光カプラ8と2N個の双方向型送受信端末22-2〜22-2Nを含む閉ループとして形成する。
【００７８】
ここで、双方向型送受信端末22-1〜22-2Nがそれぞれ備える第1及び第2光サーキュレータ9及び10は、すべての双方向型送受信端末において同一の仕様のものが利用されるので、双方向型送受信端末22-1〜22-2Nごとに区別せず、共通に第1光サーキュレータ9、第2光サーキュレータ10と表示したが、双方向型送受信端末ごとに別々に同一仕様の第1光サーキュレータ9及び第2光サーキュレータ10が使われているものと理解されたい。
【００７９】
第2の多端末量子鍵配送システムの構成の第1の多端末量子鍵配送システムとの違いは、直列型量子鍵配送伝送系に替えて閉ループ型量子鍵配送伝送系を採用している点にある。そのため、第2の多端末量子鍵配送システムにおいては、閉ループ型量子鍵配送伝送系をループ左右両周りに伝搬する量子もつれ光のいずれにも光アドドロップ機能及び量子もつれ光受光機能を提供するために、第1の多端末量子鍵配送システムで用いた一方向だけに向けて入出力を繰り返す波長可変光アドドロップフィルタA1〜A2N並びに量子鍵受信装置B1〜B2Nに替えて、双方向で入出力する双方向型波長可変光アドドロップフィルタC1〜C2N、並びに双方向型量子鍵受信装置D1〜D2Nが利用されている。
【００８０】
制御ユニット4は、量子暗号鍵を共有するユーザの組み合わせを決定すべく双方向型波長可変光アドドロップフィルタCk（ただし、k=1, 2, 3,…, 2N）のドロップ波長を制御する。また、制御ユニット4を利用して、古典チャンネル3を通じて双方向型量子鍵受信装置D1〜D2Nにおける測定基底情報を収集し、篩鍵の生成やその後の誤り訂正プロセスなどを制御する。
【００８１】
＜第2の多端末量子鍵配送システムの動作原理＞
第1の多端末量子鍵配送システムにおいては、2N個の波長可変光アドドロップフィルタを量子もつれ光を伝搬する量子チャンネル2によって、一方向型波長可変光アドドロップフィルタ(A1、A2、…、A2N)のそれぞれの入力ポート、スルーポートを順次光学的に接続していくことで形成されている。そのため量子もつれ光はこの量子チャンネル2を一方向にしか伝搬しない。従って例えば図１において、波長可変光アドドロップフィルタA1とA2を結ぶ光経路に破損や切断等が生じると、それ以降の光アドドロップフィルタA2〜A2Nには量子もつれ光は到達せず量子鍵配送は実行できない。
【００８２】
この問題点を解決すべく、第2の多端末量子鍵配送システムにおいては、量子チャンネル2によって、双方向型波長可変光アドドロップフィルタ(C1、C2、…、C2N) のそれぞれの入力ポート、スルーポートを順次光学的に接続して形成される閉ループ型量子鍵配送伝送系22を採用し、その左右両周りのいずれの方向にも量子もつれ光を供給することが可能とされている。
【００８３】
このようにすることで、図６に示すように、双方向型波長可変光アドドロップフィルタC1とC2を結ぶ光経路に破損や切断が生じても、ループ左回りに伝搬した量子もつれ光を双方向型波長可変光アドドロップフィルタC1でドロップし、ループ右回りに伝搬した量子もつれ光を双方向型波長可変光アドドロップフィルタC2でドロップすることで、量子鍵配送が可能となる。
【００８４】
そのために量子もつれ光源1からの量子もつれ光は、1×2光カプラ8によって２分岐され、ループの右回り、左回りの両方に出力される。このとき、双方向型波長可変光アドドロップフィルタC1〜C2Nに到達する量子もつれ光は、閉ループ型量子鍵配送伝送系22のループを左回りに伝搬した量子もつれ光である場合と、ループを右回りに伝搬した量子もつれ光である場合がある。従って、双方向型波長可変光アドドロップフィルタC1〜C2Nとして利用される光アドドロップフィルタは、左右両周りに伝搬する量子もつれ光に対してアドドロップ動作をする、双方向型である必要がある。同様に双方向型量子鍵受信装置D1〜D2Nとして利用される量子鍵受信装置も、左右両周りに伝搬する量子もつれ光に対して受光ならびに信号処理が可能な、双方向型である必要がある。
【００８５】
このような双方向型波長可変光アドドロップフィルタ及び双方向型量子鍵受信装置は、上述したように図７に示した構成例で実現できる。
【００８６】
いま、閉ループ型量子鍵配送伝送系22のループを左回りに伝搬した量子もつれ光は、第1光サーキュレータ9の第2ポート9-2に入力され第3ポート9-3に出力される。この出力光は第2波長可変光アドドロップフィルタ32-Fに入力されこのドロップポートからの出力光は第2量子鍵受信装置32-Dによって受信される。一方、第2波長可変光アドドロップフィルタ32-Fのスルーポートからの出力光は第2光サーキュレータ10の第1ポート10-1に入力され第2ポート10-2に出力され、閉ループ型量子鍵配送伝送系22の形成するループ内を再度左回りに伝搬したのちに、次の双方向型送受信端末（すなわち、別のユーザ）に伝送される。
【００８７】
一方、閉ループ型量子鍵配送伝送系22のループをループ右回りに伝搬した量子もつれ光は、第2光サーキュレータ10の第2ポート10-2に入力され第3ポート10-3に出力される。この出力光は第1波長可変光アドドロップフィルタ31-Fに入力されこのドロップポートからの出力光は第1量子鍵受信装置31-Dによって受信される。一方、第1波長可変光アドドロップフィルタ31-Fのスルーポートからの出力光は第1光サーキュレータ9の第1ポート9-1に入力され第2ポート9-2に出力され、閉ループ型量子鍵配送伝送系22の形成するループ内を再度右回りに伝搬したのちに、次の双方向型送受信端末（すなわち、別のユーザ）に伝送される。
【００８８】
従って、第2の多端末量子鍵配送システムは、閉ループ型量子鍵配送伝送系22を採用した構成とすることによって、ループ左右いずれの周りに伝搬した量子もつれ光のいずれに対しても、ドロップ光として量子鍵受信装置（第1量子鍵受信装置31-Dあるいは第2量子鍵受信装置32-D）で受信でき、かつスルー光を次の双方向型送受信端末へ量子チャンネル2を介して伝送することが可能となる。
【００８９】
例えば、図６に示す双方向型波長可変光アドドロップフィルタC1とC2を結ぶ光経路に破損や切断が生じても、閉ループ型量子鍵配送伝送系22の形成するループ左回りに伝搬した量子もつれ光を双方向型波長可変光アドドロップフィルタC1でドロップし、ループ右回りに伝搬した量子もつれ光を双方向型波長可変光アドドロップフィルタC2でドロップすることで、双方向型波長可変光アドドロップフィルタC1を有するユーザと双方向型波長可変光アドドロップフィルタC2を有するユーザ間での量子鍵配送が可能となる。また同様な方法で、上述の破損箇所を迂回した光経路を選択することで、双方向型波長可変光アドドロップフィルタC1を備えるユーザと双方向型波長可変光アドドロップフィルタC2Nを備えるユーザとの間など任意の組み合わせでの量子鍵配送が可能となる。このような迂回経路の選択は、制御ユニット4に通信ネットワークの破損や切断を監視するネットワークモニタの機能を付加することで容易に実現できる。
【００９０】
また第2の多端末量子鍵配送システムによれば、盗聴に強い量子鍵配送システムを構成することも可能となる。例えば、双方向型波長可変光アドドロップフィルタC1と双方向型波長可変光アドドロップフィルタC2を結ぶ光経路において盗聴者によって盗聴が行われたとする。このとき、閉ループ型量子鍵配送伝送系22の形成するループを左回りに伝搬した量子もつれ光に対しては、双方向型量子鍵受信装置D2〜D2Nでの受信結果は盗聴者の影響を受ける（誤り等が生じる）。一方、ループ右回りに伝搬した量子もつれ光に対しては、双方向型量子鍵受信装置D2〜D2Nでの受信結果は盗聴者の影響を受けない。従って、双方向型量子鍵受信装置D2〜D2Nを有する各ユーザは、ループを右回りに伝搬した量子もつれ光に対しての受信結果から暗号鍵を作成することで、安全な暗号鍵共有を実行できる。閉ループ型量子鍵配送伝送系22の形成するループのどちらの向きを伝搬した量子もつれ光を受信したかは、第1量子鍵受信装置31-D、第2量子鍵受信装置32-Dのどちらで受光したかを見れば容易に判断できる。また、ループ伝搬方向と篩鍵の誤り率の相関を見ることで、盗聴がどこにおいて行われたかの推定も可能となる。
【００９１】
＜第1及び第2の多端末量子鍵配送システムの変形例＞
以上の説明では、第1及び第2の多端末量子鍵配送システムで利用する量子もつれ光を生成する過程としてSPDCを想定したが、量子もつれ光を生成する過程として他の非線形光学過程を利用することも可能である。例えば、上述の非特許文献１に記載された、二次非線形光学効果を同一の非線形光学デバイス中で２度生じさせる、いわゆるカスケード非線形効果を利用してもよい。
【００９２】
あるいはまた、光ファイバ等での三次の非線形光学効果である自然四光波混合を利用してもよい。この両者の場合では、SPDCスペクトルの中心部に強い励起光成分が存在するため、励起光の波長近傍の波長成分は量子鍵生成に利用できないが、これは収納可能なユーザ数が低減するだけで、複数の端末の任意の２端末間で量子鍵配送が可能であって、複数の２端末間で同時に量子鍵配送を可能とするといった、基本的な効果が得られることについては相違がない。
【００９３】
また図３に図示した量子もつれ光源の装置構造、及び図５に図示した量子鍵受信装置の構造は、偏波量子もつれ光子対を用いたシステム構成の場合の好適な一例に過ぎず、他の構成例で本発明の効果を得ることもできる。また、この発明の多端末量子鍵配送システムは、いわゆる時間位置量子もつれ光子対を利用しても実現でき、その際は量子もつれ光源の装置構造、及び図５に図示した量子鍵受信装置を利用形態に沿ったものとすることで同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００９４】
1：量子もつれ光源
2：量子チャンネル
3：古典チャンネル
4：制御ユニット
5：光バンドパスフィルタ
6：光サーキュレータ
7：波長可変ブラッグ反射鏡
8：1×2光カプラ
9：第1光サーキュレータ
10：第2光サーキュレータ
A1〜A2N：波長可変光アドドロップフィルタ
B1〜B2N：量子鍵受信装置
C1〜C2N：双方向型波長可変光アドドロップフィルタ
D1〜D2N：双方向型量子鍵受信装置
20：直列型量子鍵配送伝送系
20-1〜20-2N：送受信端末
22：閉ループ型量子鍵配送伝送系
22-1〜22-2N：双方向型送受信端末
31：第1受光転送ブロック
31-D: 第1量子鍵受信装置
31-F: 第1波長可変光アドドロップフィルタ
32：第2受光転送ブロック
32-D: 第2量子鍵受信装置
32-F：第2波長可変光アドドロップフィルタ
401：ハーフミラー
402：1/2波長板
403：第1偏光分離回路
404：第2偏光分離回路
405：第1単一光子検出器
406：第2単一光子検出器
407：第3単一光子検出器
408：第4単一光子検出器
409：信号処理回路
501：偏波分離合成回路
502：二次非線形光学媒体
503：90度偏波面回転及び光位相調整部
504：WDMフィルタ
505：ローパス光フィルタ
【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】
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【図７】
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