(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの信号源をそれぞれ有する複数の送信機ユニットと；
受信機ユニットと；
パッシブ光スプリッターとを備え、
該受信機ユニットは、複数の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古典通信装置とを備え、
前記複数の送信機ユニットは、前記パッシブ光スプリッターを通じて前記受信機ユニットに光学的に接続され、前記パッシブ光スプリッターは、第１空間チャネルを通じて前記受信機ユニットに光学的に接続され、第２空間チャネルを通じて前記第１古典通信装置に光学的に接続し、前記パッシブ光スプリッターは入力された光信号をその波長に関係なく配信するように構成される量子通信システム。
【請求項２】
前記第１空間チャネルが複数の空間チャネルに前記パッシブ光スプリッターを介して光学的に結合され、かつ前記第２空間チャネルが複数の同様な前記複数の空間チャネルに前記パッシブ光スプリッターを通じて光学的に結合するように、前記パッシブ光スプリッターは構成される請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項３】
送信機ユニットはそれぞれ第２古典通信装置を備え、該第２古典通信装置は複数の古典信号を検出するように構成される検出器を備え、前記第１古典通信装置は古典信号源を備える請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項４】
前記受信機ユニットは、単一送信機ユニットだけが前記受信機ユニットでの到着時刻ごとに信号を発することを可能にするように構成されるタイミング制御モジュールを備え、前記タイミング制御モジュールはまた前記信号を送る前記送信機ユニットが識別されることを可能にする請求項３に記載の量子通信システム。
【請求項５】
前記第１古典通信装置は、前記タイミング制御モジュールからの信号を受信し、前記第２空間チャネルを通して前記第２古典通信装置に前記信号を送るように構成される請求項４に記載の量子通信システム。
【請求項６】
前記パッシブ光スプリッターはエバネセントに結合される少なくとも２つの導波管を備える請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項７】
前記パッシブ光スプリッターは、少なくとも１つの多重モード干渉セクションを備える請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項８】
前記第１空間チャネルは第１光ファイバーを備え、前記第２空間チャネルは第２光ファイバーを備える請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項９】
前記第１空間チャネルおよび前記第２空間チャネルは、複数の空間モードを送信するように構成される光導波路で第１および第２空間モードを備える請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項１０】
空間モードデマルチプレクサーをさらに備え、前記受信機ユニットおよび第１古典通信装置は前記空間モードデマルチプレクサーを通じて前記パッシブ光スプリッターに光学的に結合される請求項９に記載の量子通信システム。
【請求項１１】
前記第１空間チャネルおよび前記第２空間チャネルは、多重コア光ファイバー中の第１および第２コアを備える請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項１２】
ファイバーファンアウトをさらに備え、前記受信機ユニットおよび第１古典通信装置は前記ファイバーファンアウトを通じて前記パッシブ光スプリッターに光学的に結合される請求項１１に記載の量子通信システム。
【請求項１３】
前記第１古典通信装置と前記第２古典通信装置との間での古典通信システムは、ギガビット対応パッシブ光ネットワークである請求項３に記載の量子通信システム。
【請求項１４】
前記受信機ユニットはデコーダを備え、前記複数の送信機ユニットはそれぞれエンコーダを備え、該エンコーダは前記受信機ユニットとそれぞれの送信機ユニットとの間で暗号鍵を生成するように構成される請求項３に記載の量子通信システム。
【請求項１５】
それぞれの送信機ユニットは、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るモジュールを備え、前記第２古典通信装置は前記暗号化された古典データを前記第２空間チャネルを通じて前記第１古典通信装置へ送るように構成され、前記受信機ユニットは、前記第１古典通信装置によって受信される暗号化された前記古典データを前記生成された暗号鍵を使用して解読するように構成されるモジュールを備える請求項１４の量子通信システム。
【請求項１６】
前記受信機ユニットは、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るモジュールを備え、前記第１古典通信装置は前記暗号化された古典データを前記第２空間チャネルを通じて前記第２古典通信装置に送り、前記送信機ユニットは、前記生成された暗号鍵を使用して前記第２古典通信装置によって受信された前記暗号化されたデータを解読するように構成されるモジュールを備える請求項１４の量子通信システム。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの検出器は、ゲート制御された検出器であり、前記タイミング制御モジュールは前記検出器のゲート処理を前記複数の送信機ユニットからの複数の信号の到着時刻に同期するように構成される請求項４に記載の量子通信システム。
【請求項１８】
前記受信機ユニットは、送信機ユニットごとにフィードバック信号を生成するように構成されるフィードバック制御ユニットを備え、前記第１古典通信装置は、前記フィードバック信号を前記送信機ユニットへ送信するように構成され、前記送信機ユニットは前記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る制御エレメントを備える請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項１９】
前記制御エレメントは、前記信号源の時間制御である請求項１８に記載の量子通信システム。
【請求項２０】
受信機ユニットを備えるシステムで通信する量子通信方法であって、
前記受信機ユニットは古典信号源を備え、前記受信機ユニットは複数の信号を検出する少なくとも１つの検出器を備える受信機をさらに備え、
前記システムは、複数の送信機ユニットを備え、それぞれの送信機ユニットは古典信号を検出するように構成される検出器を備え、それぞれの送信機ユニットは信号源をさらに備え、前記システムはパッシブ光スプリッターをさらに備え、前記複数の送信機ユニットは前記受信機ユニットに前記パッシブ光スプリッターを通じて光学的に結合され、前記方法は、
前記複数の送信機ユニットからの複数の信号を前記パッシブ光スプリッターへ送り；
前記複数の信号の波長に関係なく、前記複数の信号を第１空間チャネルおよび第２空間チャネルへ分配し、第１空間チャネルおよび第２空間チャネルへ信号を分配し；
前記受信機で前記第１空間チャネルからの前記複数の信号を受信し；
第２空間チャネルを通じて受信機ユニットからパッシブ光スプリッターへ古典信号を送信し；
前記古典信号の前記波長に関係なく、前記複数の送信機ユニットに前記古典信号を分配することを備え、
前記パッシブ光スプリッターは、第１空間チャネルを通じて前記受信機に光学的に結合し、第２空間チャネルを通じて第１古典通信装置に光学的に結合する量子通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに記述される実施形態は、量子通信システムおよび量子通信方法に一般に関連する。  
（関連出願に対する相互参照）  
この出願は、２０１５年２月５日に提出された英国特許出願第１５０１９４５．８号に基づき、かつこの出願からの優先権の利益を主張する。それらの全内容は参照することによってここに組込まれる。
【背景技術】
【０００２】
量子通信システムでは情報は、複数の単一光子のような複数の符号化された量子によって、送信機と受信機との間で送られる。光子はそれぞれ、その偏光、位相あるいはエネルギー／時間のような光子の特性で符号化された情報の１ビットを運ぶ。光子は、例えば角運動量のような複数の特性を使用することにより、１ビット以上の情報でさえ運ぶ可能性がある。
【０００３】
量子鍵配送（ＱＫＤ）は、２つの関係者間（しばしば「アリス」（“Alice”）と称される送信機と；しばしば「ボブ」（“Bob”）と称される受信機）で複数の暗号鍵を共有することに帰着する技術である。この技術の魅力は、それがしばしば「イブ」（“Eve”）と称される無許可の盗聴者が鍵の任意の部分を知ることができるかどうかのテストを提供するということである。量子鍵配送の多くの形式では、アリスとボブは、ビット値を符号化する２つ以上の非直交基底を使用する。量子力学の法則によれば、各光子の符号化基底（encoding basis）の予備知識なしのイブによる複数の光子の観測は、複数の光子の一部の状態に不可避の変化を引き起こす。複数の光子の状態へのこれらの変化は、アリスとボブとの間で送られる複数のビット値にエラーを引き起こすだろう。それらの共通のビットストリングの部分を比較することによって、アリスとボブは、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。
【０００４】
量子チャネルが量子通信システムで古典チャネルと共存することが望ましい。ＱＫＤ技術では、アリスとボブは量子信号に加えて古典信号を使用して通信する。古典および量子チャネルは、波長分割多重方式を使用して、単一光ファイバーに沿ってともに送信され、それによって光の異なる波長は異なる信号を送信するために使用される。
【０００５】
量子および古典チャネルがともにこのよう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な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、複数の波長フィルタでフィルタすることができない量子波長域でノイズにつながる。このノイズを最小化するために、古典信号の出力は例えば制限されてもよい。 
【図面の簡単な説明】
【０００６】
限定されない実施形態に従う装置及び方法は、添付の複数の図面を参照して記述される。  
【図１（ａ）】図１（ａ）は光通信ネットワークの概略図を示す；
【図１（ｂ）】図１（ｂ）は１４９０ｎｍで送信された古典信号および１３１０ｎｍで送信されたアップストリーム信号のラマン散乱スペクトルを示す；
【図２】図２は実施形態に従う量子通信システムの概略図を示す；
【図３（ａ）】図３（ａ）はパッシブ光スプリッターの概略図を示す；
【図３（ｂ）】図３（ｂ）はパッシブ光スプリッターを備える、実施形態に従う量子通信システムを示す；
【図３（ｃ）】図３（ｃ）は、各々パッシブ光スプリッターを備えたいくつかのスプリッティングユニット（splitting unit）を備えた、実施形態に従う量子通信システムの概略図を示す；
【図３（ｄ）】図３（ｄ）は、パッシブ光スプリッターを含んだ、実施形態に従う量子通信システムの概略図を示す；
【図３（ｅ）】図３（ｅ）は多重モード干渉スプリッターの概略図である；
【図４（ａ）】図４（ａ）は、少数モードまたは多重モードのファイバーに接続されたスプリッティングユニットの概略図である；
【図４（ｂ）】図４（ｂ）は、図４（ａ）のスプリッティングユニットを備える、実施形態に従う量子通信システムを示す；
【図５（ａ）】図５（ａ）はマルチコアファイバーに接続されたスプリッティングユニットの概略図である；
【図５（ｂ）】図５（ｂ）は、図５（ａ）のスプリッティングユニットを備える、実施形態に従う量子通信システムを示す；
【図５（ｃ）】図５（ｃ）は、マルチコアファイバー中のそれぞれのコアが多重モードファイバーであるマルチコアファイバーに接続されたスプリッティングユニットの概略図である；
【図６】図６は古典及び量子の信号の送信を示す実施形態に従う量子通信システムの概略図である；
【図７】図７は、古典同期信号および量子信号の送信を示す実施形態に従う量子通信システムの概略図である；
【図８】図８は、量子送信機および量子受信機が複数の非対称マッハツェンダー干渉計に基づいている、実施形態に従う量子通信システムの概略図である；
【図９】図９は複数の古典データ信号を暗号化するためにどのように複数の量子鍵を使用することができるかを図解するフロー図である；
【図１０（ａ）】図１０（ａ）はギガビット対応パッシブ光ネットワークの概略図である；
【図１０（ｂ）】図１０（ｂ）は図１０（ａ）のネットワークの一変形の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
一実施形態によれば、次のものを備える量子通信システムが提供される：
複数の量子信号のソースをそれぞれ備える複数の送信機ユニットと；
複数の量子信号を検知するように構成された少なくとも１つの検出器を備える量子受信機と、
第１古典通信装置と、
を備える受信機ユニットと；
パッシブ光スプリッターと、を備え、
複数の送信機ユニットがパッシブ光スプリッターを介して前記受信機ユニットに光学的に結合し、前記パッシブ光スプリッターが、第１空間チャネルを介して前記量子受信機に光学的に結合し、さらに第２空間チャネルを介して第１古典通信装置に光学的に結合し、前記パッシブ光スプリッターが入力された光学信号をその波長に関係なく分配するように構成される、量子通信システム。
【０００８】
一実施形態では、第１空間チャネルがパッシブ光スプリッターを通じて複数の空間チャネルに光学的に結合され、第２空間チャネルがパッシブ光スプリッターを介して同一の複数の空間チャネルに光学的に結合されるように、パッシブ光スプリッターは構成される。
【０００９】
ある実施形態では、前記複数の空間チャネルのうちの第１空間チャネルは前記複数の送信機ユニットのうちの第１送信機ユニットに光学的に結合され、前記複数の空間チャネルのうちの第２空間チャネルは前記複数の送信機ユニットの第２送信機ユニットに光学的に結合される。
【００１０】
一実施形態では、第１空間チャネルから入力される信号は複数の空間チャネルを介して出力され、第２空間チャネルから入力される信号は同一の複数の空間チャネルを介して出力される。
【００１１】
一実施形態では、第１古典通信装置は送信機である。一実施形態では、第１古典通信装置はトランシーバーである。
【００１２】
一実施形態では、送信機ユニットはそれぞれ第２古典通信装置を備える。第１古典通信装置は古典信号源でもよく、第２古典通信装置は古典信号を検知するように構成される検出器でもよい。第１古典通信装置および第２古典通信装置は、トランシーバーでもよい。
【００１３】
一実施形態では、量子送信機コンポーネントおよび古典通信コンポーネントは、送信機ユニットごとに１つのフォトニックチップ上に統合され、量子受信機コンポーネントおよび古典通信コンポーネントは、受信機ユニット用の１つのフォトニックチップ上に統合される。
【００１４】
一実施形態では、送信機ユニットごとに量子送信機コンポーネントおよび古典通信コンポーネントは、自由空間マイクロ光通信を使用して光学的に結合され、受信機ユニット用の量子受信機コンポーネントおよび古典通信コンポーネントは、自由空間マイクロ光通信を使用して接続される。光は送信機ユニットと受信機ユニットの出力でのみ光ファイバーへ接続される。
【００１５】
一実施形態では、複数の送信機ユニットが、スプリッティングユニットを介して受信機ユニットに光学的に結合される。スプリッティングユニットはパッシブ光スプリッターを備える。スプリッティングユニットもまた、空間モードデマルチプレクサーあるいはファイバーファンアウトのような追加のコンポーネントを備えてもよい。システムは複数のスプリッティングユニットを備えてもよい。
【００１６】
ある実施形態では、パッシブ光スプリッターは、ある波長範囲（例えばテレコムＣ、Ｏ、またはＬバンド）にわたり波長に依存しない。波長に依存しないことによって、装置の機能に影響を与えないように任意の波長依存性が十分に小さくなることをそれは意味する。一実施形態では、パッシブ光スプリッターの複数の入力と複数の出力との間の分割比は、特定の波長範囲にわたり２０％未満まで変化する。一実施形態では、パッシブ光スプリッターの複数の入力と複数の出力との間の分割比は、特定の波長範囲にわたり１０％未満まで変化する。一実施形態では、パッシブ光スプリッターの複数の入力と複数の出力との間の分割比は、特定の波長範囲にわたり５０％未満まで変化する。
【００１７】
パッシブ光スプリッターはその波長に依存する光を反射または送信しない。それは波長選択的ではない。それは複数の光信号の波長に基づいて、複数の光信号を選択または分割しない。
【００１８】
パッシブ光スプリッターは信号に重大な偏光依存損失をもたらさないように構成されてもよい（すなわち、どんな偏光依存損失も量子および古典受信機の機能に影響しないくらい十分に小さい）。
【００１９】
一実施形態では、量子信号源はパルス状レーザと光学減衰器である。複数の量子送信機は光子のパルスを放射するように構成されてもよい。パルス中の光子の平均数は１未満である。情報は、偏光か位相のような光子の量子パラメータを変更することにより、複数の光パルス上に符号化されてもよい。量子送信機もまた、おとり状態（decoy-state）ＱＫＤプロトコルを実現するように構成される強度変調器を備えてもよい。
【００２０】
少なくとも１つの検出器は単一光子検出器でもよい。単一光子検出器はゲート制御でも自由稼働でもよい。
【００２１】
単一光子検出器は例えば、複数の半導体ＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードに基づくことができる。
【００２２】
一実施形態では、受信機ユニットは、単一送信機ユニットにだけ、量子受信機での到着時刻ごとに量子信号を発することを可能にするように構成されるタイミング制御モジュールを備え、タイミング制御モジュールはまた、量子信号を送信する送信機ユニットを識別することを可能にする。
【００２３】
一実施形態では、第１古典通信装置は、タイミング制御モジュールから信号を受信し、かつ第２空間チャネルを介して第２古典通信装置へ信号を送信するように構成される。
【００２４】
別の実施形態では、同期は、古典チャネルで送ら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り実現される。
【００２５】
一実施形態では、パッシブ光スプリッターは、エバネセントに（evanescently）接続される少なくとも２つの導波管を備える。ある実施形態では、パッシブ光スプリッターはＭｘＮパッシブ光スプリッターである（ここでＭ≧２かつＮ≧２）。ある実施形態では、パッシブ光スプリッターは、２ｘ２パッシブ光スプリッターと、カスケード状にともに接続されている複数の１ｘ２パッシブ光スプリッターとを備える。
【００２６】
一実施形態では、パッシブ光スプリッターは、少なくとも１つの多重モード干渉セクションを備える。ある実施形態では、パッシブ光スプリッターは多重モード干渉スプリッターである。ある実施形態では、多重モード干渉スプリッターはＭｘＮ多重モード干渉スプリッターである（ここでＭ≧２かつＮ≧２）。
【００２７】
一実施形態では、第１空間チャネルは第１光ファイバーを備え、第２空間チャネルは第２光ファイバーを備える。
【００２８】
一実施形態では、第１空間チャネルおよび第２空間チャネルは、複数の空間モードを送信するように構成された光導波路中に第１および第２空間モードを備える。一実施形態では、システムは空間モードデマルチプレクサーを備え、量子受信機および第１の古典通信装置は、空間モードデマルチプレクサーを介してパッシブ光スプリッターに光学的に結合される。
【００２９】
空間モードデマルチプレクサーは、複数の光ファイバーを備えるファイバー束を備えてもよく、ファイバー束中の各ファイバーの被覆の外径は、一方の端で先細りになり、ファイバー束の第１光ファイバーは、第１端で多重モード光ファイバー中の第１モードに、他端で第１導波管に光学的に結合していて、ファイバー束の第２光ファイバーは、第１端で多重モード光ファイバー中の第２モードに、他端で第２導波管に光学的に結合している。第１導波管及び第２導波管はパッシブ光スプリッターに光学的に結合されてもよい。
【００３０】
空間モードデマルチプレクサーは、複数の導波管を備えるフォトニックチップを備え、第１端でのフォトニックチップ上の導波管間の間隔は、チップ上の異なる導波管からの光が単一多重モード光ファイバーへ発射されるほどであり、フォトニックチップ上の第１導波管は、第１端で多重モード光ファイバー中の第１モードに、他端で第１導波管に光学的に結合され、フォトニックチップ上の第２導波管は、第１端で多重モード光ファイバー中の第２モードに、他端で第２導波管に接続される。第１導波管および第２導波管はパッシブ光スプリッターに光学的に結合されてもよい。
【００３１】
多重モードファイバーは５０未満の空間モードを送信するように構成されてもよい。多重モードファイバーは１０未満の空間モードを送信するように構成されてもよい。多重モードファイバーは２つの空間モードを送信するように構成されてもよい。多重モードファイバーは１ｋｍを越えていてもよい。多重モードファイバーは１０ｋｍを越えていてもよい。多重モードファイバーは２０ｋｍを越えていてもよい。
【００３２】
一実施形態では、第１空間チャネルおよび第２空間チャネルは、マルチコア光ファイバー中の第１および第２コアを備える。一実施形態では、マルチコア光ファイバーは２つのコアを備える。一実施形態では、マルチコア光ファイバーは６つ以上のコアを備える。マルチコア光ファイバーは、共通の被覆に囲まれた複数の光学コアを備えてもよい。
【００３３】
一実施形態では、システムはファイバーファンアウトをさらに備え、量子受信機および第１の古典通信装置は、ファイバーファンアウトを介してパッシブ光スプリッターに光学的に結合される。
【００３４】
ファイバーファンアウトは、複数の光ファイバーを備えるファイバー束を備え、ファイバー束中の各光ファイバーの第１端での被覆の外径は、マルチコア光ファイバー中のコア間の最初距離以下であり、ファイバー束中の第１光ファイバーは第１端でマルチコア光ファイバー中の第１コアに、他端で第１導波管に光学的に結合され、ファイバー束中の第２光ファイバーは第１端でマルチコア光ファイバー中の第２コアに、他端で第２導波管に光学的に結合される。
【００３５】
これとは異なり、ファイバーファンアウトは複数の導波管を備えるフォトニックチップを備えてもよい。第１端でフォトニックチップ上の導波管間での間隔は、マルチコア光ファイバー中のコア間の距離に実質的に等しい。フォトニックチップ上の第１導波管は、第１端でマルチコア光ファイバー中の第１コアに、他端で第１導波管に光学的に結合される。フォトニックチップ上の第２導波管は、第１端でマルチコア光ファイバー中の第２コアに、他端で第２導波管に光学的に結合される。第１導波管および第２導波管はパッシブ光スプリッターに光学的に結合されてもよい。
【００３６】
一実施形態では、第１古典通信装置と第２古典通信装置の間の古典通信システムは、ギガビット対応パッシブ光ネットワークである。
【００３７】
一実施形態では、量子受信機はデコーダを備え、量子送信機は、量子受信機と量子送信機との間で暗号鍵を生成するように構成されるエンコーダを備える。
【００３８】
一実施形態では、送信機ユニットはそれぞれ、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を備える。第２通信装置は、第２空間チャネルを介して暗号化された古典データを第１通信装置へ送信するように構成される。受信機ユニットは、生成された暗号鍵を使用して、第１古典通信装置によって受信された暗号化データを解読するように構成されたモジュールを備える。
【００３９】
一実施形態では、受信機ユニットは、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を備える。第１通信装置は、第２空間チャネルを介して暗号化された古典データを第２通信装置へ送信するように構成される。送信機ユニットは、生成された暗号鍵を使用して、第２古典通信装置によって受信された暗号化データを解読するように構成されたモジュールを備える。
【００４０】
一実施形態では、量子通信システムは、同期、フィードバック制御、誤り訂正およびプライバシー増幅の少なくとも１つに対して、双方向古典通信を使用する。
【００４１】
一実施形態では、少なくとも１つの検出器はゲート制御された検出器であり、タイミング制御モジュールは複数の送信機ユニットからの複数の信号の到着時刻と検出器のゲーティングとを同期するように構成される。
【００４２】
一実施形態では、受信機ユニットは、送信機ユニットごとに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備える。第１古典通信装置は、送信機ユニットにフィードバック信号を送信するように構成される。送信機ユニット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エレメントを備える。
【００４３】
一実施形態では、フィードバック制御信号は量子ビットエラー率である。一実施形態では、フィードバック制御信号は、量子送信機から量子受信機へ送られた複数の参照パルスの複数の検出結果を備える。一実施形態では、制御エレメントは、非対称マッハツェンダー干渉計中の同調可能な位相遅延、あるいは位相変調器である。
【００４４】
一実施形態では、フィードバック制御信号は複数の干渉光子の計数率である。一実施形態では制御エレメントは偏光コントローラである。一実施形態では制御エレメントは、遅延または時間制御、あるいは光子源のトリガーである。
【００４５】
一実施形態によれば、受信機ユニットを備えるシステム上で通信するための量子通信方法が提供される。受信機ユニットは複数の古典信号の１つの源を備え、受信機ユニットは量子受信機をさらに備える。量子受信機は複数の量子信号を検知するように構成された少なくとも１つの検出器を備える。システムは複数の送信機ユニットをさらに備え、送信機ユニットそれぞれは複数の古典信号を検知するように構成された検出器を備え、送信機ユニットそれぞれは複数の量子信号の１つの源をさらに備える。システムはパッシブ光スプリッターをさらに備える。複数の送信機ユニットがパッシブ光スプリッターを介して受信機ユニットに光学的に結合される。方法は、以下のステップを備える：
前記パッシブ光スプリッターに前記複数の送信機ユニットから複数の量子信号を送信すること；
前記複数の量子信号の波長に関係なく、第１空間チャネルおよび第２空間チャネルへ複数の量子信号を分配すること；
前記量子受信機で前記第１空間チャネルから前記複数の量子信号を受信すること；
第２空間チャネルを介して前記受信機ユニットからパッシブ光スプリッターへ古典信号を送信すること；
前記古典信号の波長に関係なく、前記複数の送信機ユニットに前記古典信号を分配すること；
前記パッシブ光スプリッターは、第１空間チャネルを介して前記量子受信機に光学的に結合され、第２空間チャネルを介して前記第１古典通信装置に光学的に結合される。
【００４６】
図１（ａ）は、光通信ネットワークの概略図を示す。ネットワークは、Ｎ個の光ネットワークユニット（ＯＮＵ）１０１−１から１０１−Ｎを備える。それらはパッシブ光スプリッター１０３を介して光回線端末（ＯＬＴ）１０５に接続される。フィーダーファイバー１０４はパッシブ光スプリッター１０３にＯＬＴ１０５を接続し、分配ファイバー１０２−１から１０２Ｎはパッシブ光スプリッター１０３にＯＮＵ１０１−１から１０１Ｎを接続する。「フィーダーファイバー」、「分配ファイバー」という用語は、ネットワーク中のファイバーの位置を示す。複数のフィーダーファイバーは時々トランクファイバーとも呼ばれる。
【００４７】
ダウンストリーム方向（ＯＬＴから複数のＯＮＵへ）では、１４９０ｎｍでのデータ信号は全てのユーザに放送（broadcast）される。アップストリーム方向（複数のＯＮＵからＯＬＴへ）では複数の信号は１３１０ｎｍで送信される。
【００４８】
フィーダーファイバー１０４は複数のアップストリーム信号によって時分割多重化で共有される。ＯＬＴ１０５は、ＯＮＵの帯域幅要件に基づいて各ＯＮＵに複数のタイムスロットを割り当てる。その割り当てられたタイムスロットの間で、ＯＮＵはそのデータを送信することを許される。例えば、ＯＮＵ１は第１タイムスロットの間にそのアップストリーム信号を送信し、ＯＮＵ２は続くタイムスロットの間にそのアップストリーム信号を送信し、ＯＮＵ３は続くタイムスロットの間にそのアップストリーム信号を送信する、などである。 
複数のアップストリーム信号と複数のダウンストリーム信号も同じファイバーに沿って、しかし異なる波長で送信される。言いかえれば、複数のアップストリーム信号と複数のダウンストリーム信号は波長分割多重方式を使用して、同じファイバーに沿って送信される。
【００４９】
ネットワーク中の複数の個人ユーザ（ＯＮＵ）は一意的なＩＤでアドレス指定することができ、ＯＮＵはそれぞれ彼に出されたダウンストリームデータだけを処理する。原理的に、どのＯＮＵも任意のダウンストリームデータを拾い上げることができる。それは、ダウンストリームデータを容易に傍受することを可能にさせる。したがって、ダウンストリームデータは暗号化されてもよい。
【００５０】
図１（ｂ）は、ＯＬＴ１０５の前で５０：５０の光学ビームスプリッターを挿入し、５０：５０の光学ビームスプリッターの第２出力に光スペクトルアナライザーを接続することによって測定されたスペクトルを示す。波長は、垂直軸上でｍＷでの光パワーと共に、ｎｍで水平軸上に示される。測定のこの方法で、アップストリーム方向に進む全ての光は測定される。スペクトルは、複数のＯＮＵの複数のアップストリーム信号から始まる１３１０ｎｍで強いピークを示す。１４９０ｎｍでのピークはダウンストリーム信号のレイリー散乱による。広範なバックグラウンドは、ラマン散乱によってもたらされるが、主としてフィーダーファイバー中のダウンストリーム信号の後方散乱による。ラマンノイズは量子波長域への複数の光子の非弾性散乱から発生する。散乱は、順方向（光信号の進む方向）および逆方向の両方で生じる。
【００５１】
量子光ネットワークでは、複数の量子信号が複数の古典信号と共存することが望ましい。アップストリーム量子アクセスネットワークでは、図１でのように、複数の量子送信機が１ｘＮパッシブ光スプリッターを介して単一量子受信機に接続される。複数の量子信号は各量子送信機から量子受信機へアップストリーム方向で送られる。古典信号はダウンストリーム方向へ（ＯＬＴ１０５から複数のＯＮＵへ）送られてもよい。ＯＬＴ１０５は古典送信機も備えてもよく、複数のＯＮＵ１０１−１から１０１−Ｎまで複数の古典受信機も備えてもよい。
【００５２】
古典ダウンストリームデータ信号は、量子信号と同じ波長であるフィーダーファイバー中のラマンノイズを引き起こす可能性がある。複数のアップストリーム量子信号は受信機に到着するためにパッシブ光スプリッターを通過しなければならない。パッシブ光スプリッターには大きな信号損失がある。１ｘ８パッシブ光スプリッター（つまり受信機に接続する１つのポートと、複数の送信機に接続された８つのポートとを有するビームスプリッター）は少なくとも８倍（９ｄＢに対応する）で信号のパワーを減少させる。１ｘ１６パッシブ光スプリッター（つまり受信機に接続された１つのポートと、送信機に接続された１６のポートとを有するビームスプリッター）は少なくとも１６倍で信号のパワーを減少させるなどがある。
【００５３】
フィーダーファイバー中のアップストリーム量子信号はビームスプリッター１０３を通過している。フィーダーファイバー中のダウンストリーム信号は、まだビームスプリッター１０３を通過していない。しかしながら、それは、ビームスプリッターでの最終的な損失を補うほど高出力で起動される。したがって、量子信号はビームスプリッターを通過したが、ダウンストリーム信号からのダウンストリームラマンノイズはビームスプリッターを通過していないので、フィーダーファイバー中でアンバランスがある。量子波長域中のラマンノイズを複数の波長フィルタでフィルターすることはできない。
【００５４】
図２は、実施形態に従う量子通信システムの概略図を示す。システムは、複数の量子信号および複数の古典データ信号の両方を送信する光ネットワークである。Ｎ個の組み合わされた量子および古典の光ネットワークユニット（ＯＮＵ）２０１−１から２０１−Ｎは、波長非依存スプリッティングユニット２０３を介して組み合わされた量子および古典の光回線端末（ＯＬＴ）２０５に接続される。スプリッティングユニット２０３はパッシブ光スプリッターを備える。それは複数の光学コンポーネントをさらに備えてもよい。複数のＯＮＵ２０１−１から２０１−Ｎまでが、パッシブ光スプリッターを介してＯＬＴ２０５に光学的に結合される。一実施形態では、パッシブ光スプリッターは複数の空間出力および２つの空間入力を有している。
【００５５】
ＯＬＴ２０５は古典通信装置２０６および量子受信機２０７を備える。パッシブ光スプリッターは、第１空間チャネル２０４−２を通って量子受信機２０７に光学的に結合され、第２空間チャネル２０４−１を通って古典通信装置２０６に光学的に結合される。パッシブ光スプリッターはその波長に関係なく入力された光学信号を分配するように構成される。
【００５６】
古典通信装置２０６とパッシブ光スプリッターとの間で移動するダウンストリーム古典信号は、量子受信機２０７で受信される量子信号とは別個の空間チャネルで移動する。量子およびダウンストリーム古典信号を異なる空間チャネルへ分離することは、ダウンストリーム古典信号のラマン後方散乱から生成される複数の光子が量子受信機に到達しないことを意味する。
【００５７】
パッシブ光信号は波長に関係なく複数の信号を分配する。パッシブ光スプリッターは、ある波長範囲（例えばテレコムＣ、Ｏ、またはＬバンド）にわたり波長に依存しない。それはその波長に依存する光を反射または送信しない。波長に依存しないことよって、装置の機能に影響を与えないように任意の波長依存性が十分に小さくなることをそれは意味する。一実施形態では、パッシブ光スプリッターの複数の入力と複数の出力との間の分割比は、特定の波長範囲にわたり２０％未満まで変化する。一実施形態では、パッシブ光スプリッターの複数の入力と複数の出力との間の分割比は、特定の波長範囲にわたり１０％未満まで変化する。一実施形態では、パッシブ光スプリッターの複数の入力と複数の出力との間の分割比は、特定の波長範囲にわたり５０％未満まで変化する。それは波長選択的ではない。それは複数の光信号の波長に基づいて複数の光信号を選択または分離しない。波長選択的でない成分は、複数のシステムの広い範囲で互換性があり、費用効率が高いネットワークの開発を可能にする。
【００５８】
一実施形態では、スプリッティングユニット２０３は複数の空間出力および２つの空間入力をしている。スプリッティングユニット２０３は、複数の出力に接続される別個の空間チャネル２０２−１から２０１−Ｎを通ってそれぞれＯＮＵ２０１−１から２０２−Ｎに光学的に結合される。
【００５９】
それは、複数の入力と接続している２つの空間チャネル２０４−１および２０４−２を通ってＯＬＴ２０５に光学的に結合される。空間チャネル２０４−１は、古典通信装置２０６に光学的に結合され、空間チャネル２０４−２は量子受信機２０７に光学的に結合される。
【００６０】
古典通信装置２０６とスプリッティングユニット２０３との間で移動するダウンストリーム古典信号は、量子受信機２０７で受信される量子信号に別個の空間チャネルで移動する。スプリッティングユニット２０３は、信号の波長に関係なく複数の出力と複数の入力との間で複数の信号を分配する。
【００６１】
量子通信システムは複数のＯＮＵ２０１−１から２０１−Ｎを備える。ＯＮＵはそれぞれ量子送信機を含み、さらに古典通信装置を含んでもよい。一実施形態では、古典通信装置は古典受信機である。量子送信機は、複数の量子信号の一つの源（例えばパルス状レーザおよび光学減衰器）を備える。複数の量子送信機は複数の光子の複数パルスを放射するように構成されてもよい。１パルス中の光子の平均数は１未満である。情報は、偏光または位相のような光子の量子パラメータを変更することにより、複数の光パルス上に符号化されてもよい。
【００６２】
ＯＬＴ２０５は古典通信装置２０６および量子受信機２０７を備える。一実施形態では、古典通信装置２０６は複数の古典信号の１つの源ある。量子受信機は１つ以上の検出器（例えば複数の単一光子検出器）を備える。複数の単一光子検出器をゲート制御でも自由稼働でもすることができる。複数の単一光子検出器は例えば、複数の半導体ＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードに基づくことができる。
【００６３】
古典通信装置２０６は、空間チャネル２０４−１を通ってスプリッティングユニット２０３に光学的に結合され、量子受信機２０７は空間チャネル２０４−２を通ってスプリッティングユニット２０３に光学的に結合される。複数の古典データ信号は空間チャネル２０４−１を経由してスプリッティングユニット２０３と古典通信装置２０６との間で移動する。複数の量子信号は空間チャネル２０４−２を経由してスプリッティングユニット２０３と量子受信機２０７との間で移動する。
【００６４】
古典信号は異なる波長で送信されたいくつかの信号からできていてもよい。これは、例えば１４９０ｎｍのデータ信号および１６１０ｎｍのマスタークロック信号でもよい。
【００６５】
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システムでの、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することができる。この実施形態では、古典通信装置２０６は双方向通信装置である。双方向通信装置は波長分割多重方式（ＷＤＭ）を使用して、導波管２０４−１上で行なわれてもよい。双方向古典通信装置は、トランシーバー（つまりコンパクトなモジュール中の受信機および送信機）でもよい。トランシーバーは導波管２０４−１に光学的に結合される。それは導波管２０４−１の中へ第１波長で複数の古典信号を送信し、第２波長で導波管２０４−１に沿って進む信号を受信してもよい。トランシーバーはいくつかの別個の受信機／送信機があるシステムとは異なる。受信機／送信機がそれぞれ、別個の導波管に光学的に結合され、異なる物理的位置にあってもよい。
【００６６】
一実施形態では、ＯＮＵ２０１−１から２０１−Ｎは、複数の古典データ信号の１つの源を備え、古典データは空間チャネル２０４−１上の古典通信装置２０６で受信される。別の実施形態では、空間チャネル２０４−２はＯＬＴで波長フィルタに接続される。また、複数の古典データ信号は空間チャネル２０４−２から受信される。波長フィルタは量子受信機２０７の前で古典データ信号を分離し、第２古典通信装置に古典データ信号を導く。量子受信機および第２古典通信装置はこの実施形態中のＷＤＭカプラーによってファイバー２０４−２に接続される。
【００６７】
スプリッティングユニット２０３（それは複数の空間チャネル２０４−１および２０４−２に接続される）の複数の入力に挿入された複数の光信号は、（複数の空間チャネル２０２−１から２０２−Ｎに接続される）スプリッティングユニット２０３の複数の出力へ固定比率で分配される。一実施形態では、各入力に挿入された信号は、光信号の割合１／Ｎが各出力に分配される入力のそれぞれに挿入されて、Ｎ重に分裂する。このように第１空間チャネル２０４−１から入力された信号は、複数の空間チャネル２０２−１から２０２−Ｎを通って出力され、第２空間チャネル２０４−２から入力された信号は、同一の空間チャネル２０２−１から２０２−Ｎを通って出力される。
【００６８】
空間チャネル２０２−１から２０２−Ｎに接続される出力のうちのどれにも挿入された複数の光信号は、空間チャネル２０４−１および２０４−２に接続される入力へ固定比率で分配されるだろう。一実施形態では、スプリッティングユニット２０３は、２つの空間入力、および複数のそれぞれの出力へ挿入される光信号の割合１／Ｎは、第１空間入力および第２空間入力へ分配される。したがって、個々の空間チャネル２０２−１から２０２−Ｎから入力した信号が、両方の空間チャネル２０４−１および２０４−２を通って出力される。
【００６９】
「入力」および「出力」という用語は、上記の記述で使用されるが、複数の光信号は、空間チャネル２０４−１および２０４−２と２０２−１から２０２−Ｎとのどちらかの方向でかつスプリッティングユニット２０３を通って移動することができる。
【００７０】
ある実施形態では、複数の入力は複数の単一モードファイバーに接続された別個のポートである。別の実施形態では、複数の入力は、少数モードファイバーあるいは多重モードファイバーに接続されたポートを通って出力される異なるモードである。別の実施形態では、複数の入力はマルチコアファイバー中の異なるコアに接続された複数のポートである。複数の入力が複数の単一モードファイバーあるいはマルチコアファイバー中の別個のコアに接続された別個のポートである場合、複数の信号は別個の導波管上で送信される。複数の入力が少数モードファイバーに接続された単一ポートを通って出力される異なるモードである場合、それらは同じ導波管で送信される。
【００７１】
実施形態では、複数の空間チャネル２０４−１および２０４−２は別個の光ファイバーを備える。実施形態では、複数の空間チャネル２０４−１および２０４−２は、少数モードまたは多重モードのファイバー中の異なる空間モードを備える。
【００７２】
量子通信システムは例えば量子鍵配送ネットワークでもよい。
【００７３】
図３（ａ）は、エバネセントに接続される少なくとも２つの導波管を備える２×Ｎのパッシブ光スプリッター３０３の概略図を示す。実施形態では、スプリッティングユニット２０３は２×Ｎのパッシブ光スプリッター３０３を備える。パッシブ光スプリッターは時々光パワースプリッターと呼ばれる
第１単一モード光ファイバー３０４−１は、２×Ｎのパッシブ光スプリッター３０３の内部の２×２のパッシブ光スプリッターの第１入力に接続される。第２単一モード光ファイバー３０４−２は、２×Ｎのパッシブ光スプリッター３０３の内部の２×２のパッシブ光スプリッターの第２入力に接続される。２×２のパッシブ光スプリッターの出力はそれぞれ１×２のパッシブ光スプリッターの入力に接続される。複数の１×２パッシブ光スプリッターのそれぞれの出力は、さらなる１ｘ２パッシブ光スプリッターに接続され、２×Ｎのスプリッターが形成されるように等である。Ｎの単一モードファイバー３０２−１から３０２−Ｎは、２×Ｎのパッシブ光スプリッター３０３の出力に接続される。
【００７４】
「入力」および「出力」という用語は使用されるが、複数の光信号は、複数の光ファイバー３０２−１から３０２−Ｎと、３０４−１と、３０４−２とにおいてどちらかの方向、かつパッシブ光スプリッター３０３の中で進むことができる。
【００７５】
実施形態では、パッシブ光スプリッター３０３は２つの入力および８つの出力がある、つまりそれは２ｘ８パッシブ光スプリッターである。パッシブ光スプリッター３０３は、２つの入力および２つの出力を有するパッシブ光スプリッターを備える。２つの入力は、パッシブ光スプリッター３０３の第１入力および第２入力で、複数の光ファイバー３０４−１および３０４−２に接続される。出力の各々は、１つの入力および２つの出力を有するパッシブ光スプリッターの入力に接続される。これらの出力の各々は、１つの入力および２つの出力を有するパッシブ光スプリッターの入力に接続される。パッシブ光スプリッターはこのようにカスケード状に接続している、２ｘ２パッシブ光スプリッターおよび６つの１ｘ２パッシブ光スプリッターを備える。
【００７６】
光ファイバー３０４−１からの第１入力に挿入された複数の光信号は、８つの出力への固定比率で分配される。信号は、第１入力へ挿入された光信号の割合１／８がそれぞれの出力へ分配されて、８つに分裂する。光ファイバー３０４−２から２番目の入力に挿入された複数の光信号も、８つの出力へ固定比率で分配される。信号もまた、第２入力に挿入された光信号の割合１／８がそれぞれの出力へ分配されて、８つに分裂する。第１入力に挿入された信号の割合１／８を備え、かつ第２入力信号に挿入された信号の１／８を備える信号は、それぞれの出力から出て行く。
【００７７】
第１出力に挿入された複数の光信号は、固定比率で２つの入力のそれぞれに分配される。信号は、第１出力に挿入された光信号の割合１／８が２つの入力のそれぞれに分配され、８つに分裂する。８つの入力のそれぞれに挿入される信号の割合１／８を備える信号は、２つの出力のそれぞれから出て行く。
【００７８】
１×２のパッシブ光スプリッターは、接続しない１つの入力を有する２×２のパッシブ光スプリッターと等価である。１ｘ２パッシブ光スプリッターの２つの出力ポートのうちの１つに入力された信号は、単一の入力ポートへ完全には送信されない。割合１／２だけが入力ポートへ送信される。
【００７９】
記述されたような２×Ｎのパッシブ光スプリッターは、波長に依存しないスプリッターとして使用することができる。
【００８０】
パッシブ光スプリッター３０３はＭｘＮパッシブ光スプリッターでもよい。ここで、Ｍ≧２かつＮ≧２である。
【００８１】
一実施形態では、パッシブ光スプリッター３０３は、１つの導波管から１つあるいはいくつかの他の導波管へ光を結合するためにエバネセント結合を使用する。一実施形態では、パッシブ光スプリッター３０３は２つ以上の複数の光ファイバーを備える。複数の光ファイバーの被覆厚さは減少し、２つ以上のファイバーが密接に接触して配列される。接触領域では、光は、振動して（in an oscillatory manner）１つのファイバーから他の複数のファイバーへエバネセントに接続される。つまり接続領域の長さは、光が１つのファイバーから他の複数のファイバーへどれだけ光が接続されるかを決める。言いかえれば、接続領域の長さは分割比を決定する。接続領域の長さは、例えば、光の５０％が１つの導波管から別の導波管に結合されることが可能である。一実施形態では、パッシブ光スプリッター３０３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導波管は、接続領域で１つの導波管から他の複数の導波管へエバネセントに接続されるように、互いに密に接触して配置される。
【００８２】
代わりの実施形態では、パッシブ光スプリッターは、光クロスカプラーである。このカプラーでは、ある導波管から別の導波管に光を結合するために、２つの導波管がクロスされている。
【００８３】
ある実施形態では、パッシブ光スプリッターは、複数の１ｘ２パッシブ光スプリッター、および（または）カスケード状にともに接続される複数の２ｘ２パッシブ光スプリッターを備える。
【００８４】
その代わりに、パッシブ光スプリッターは、光がＭ個の導波管からＮ個の導波管へ接続されるように、密に接触してＭ個の入力導波管およびＮ個の出力導波管を有する単一のパッシブ光スプリッターを備えてもよい。ある実施形態では、スプリッターは分割比１／Ｎを有する（Ｍ≦Ｎ）。これはＭ×Ｎスプリッターが原理的にＮ個より少ない接続された入力を有するＮ×Ｎスプリッターであるからである。
【００８５】
図３（ｂ）は実施形態に従う量子通信システムを示す。システムは８つのＯＮＵ３０１−１から３０１−８を備える。ＯＮＵはそれぞれ量子送信機を備え、古典通信装置を備えてもよい。ＯＮＵ３０１−１から３０１−８はそれぞれ、光ファイバー３０２−１から３０２−８を通って２ｘ８パッシブ光スプリッター３０３の出力ポートに光学的に結合される。８つのＯＮＵを備えたシステムおよび２ｘ８パッシブ光スプリッターが示されているが、システムは任意の数のＯＮＵを有していてもよく、そしてパッシブ光スプリッターがＭｘＮパッシブ光スプリッターでもよい（Ｍ≧２かつＮ≧２）。
【００８６】
２ｘ８パッシブ光スプリッター３０３は、ＯＬＴ３０５に光学的に結合される。ＯＬＴ３０５は古典通信装置３０６および量子受信機３０７を備える。古典通信装置３０６は、光ファイバー３０４−１を通って２ｘ８パッシブ光スプリッターの入力ポートに光学的に結合され、また量子受信機３０７は光ファイバー３０４−２を通って２ｘ８パッシブ光スプリッター３０３に光学的に結合される。
【００８７】
図３（ｃ）は、実施形態に従う量子通信システムの概略図を示す。ここではスプリッティングはいくつかのステップで達成される。
【００８８】
ファイバー３０４−１は、一端でＯＬＴ３０５の中の古典通信装置３０６に接続され、他端で２ｘ２パッシブ光スプリッター３０３−ｂの第１入力に接続される。ファイバー３０４−２は、一端でＯＬＴ３０５の中の量子受信機３０７に接続され、２ｘ２パッシブ光スプリッター３０３−ｂの第２入力に接続される。パッシブ光スプリッター３０３−ｂは第１スプリッティングユニットである。ファイバー３０２−８は、一端で２ｘ２パッシブ光スプリッター３０３−ｂの第１出力に接続され、他端でＯＮＵ３０１−８に接続される。パッシブ光スプリッター３０３−ｂの第２出力は、光ファイバーを介して、第２スプリッティングユニット３０３−ａの部分である第１の１ｘ２パッシブ光スプリッターの入力に接続される。第２スプリッティングユニット３０３−ａは、３つの１ｘ２パッシブ光スプリッターを備える１ｘ４パッシブ光スプリッターである。第１の１ｘ２パッシブ光スプリッターの各出力は、２つの１ｘ２パッシブ光スプリッターの入力に接続する。１ｘ４パッシブ光スプリッター３０３−ａの複数の出力は、ＯＮＵ３０１−１から３０１−４に接続される。
【００８９】
さらなる複数のスプリッティングユニットが含まれている様々な組合わせが可能である。これらのさらなる複数のスプリッティングユニットにＯＮＵを直接接続してもよく、あるいは、さらに多くの、ファイバーリンクおよびスプリッティングユニットがあってもよい。
【００９０】
各ＯＮＵで受信された信号は、特定のＯＮＵとＯＬＴとの間でパッシブ光スプリッターの数および構成に依存して、原信号のうちの大きなまたは小さな割合になり得る。示された例においては、ＯＮＵ３０１−８で受信された信号はＯＬＴからの原信号の１／２であり、ＯＮＵ３０１−１およびＯＮＵ３０２−２で受信された信号はＯＮＵからの原信号の１／２×１／４＝１／８である。そのような構成では、ＯＮＵ３０１−１から３０１−４にとって、スプリッティングユニット３０３−ｂの後で、ダウンストリーム古典信号および量子信号は同じファイバー上にあり、量子信号は第２スプリッティングユニット３０３−ａによって減衰されている。
【００９１】
図３（ｄ）は、実施形態に従う量子通信システムの概略図を示す。ファイバー３０４−１は、一端でＯＬＴ３０５の中の古典通信装置３０６に接続され、および他端で第１の１ｘ２スプリッターに接続され、ファイバー３０４−２は一端でＯＬＴ３０５での量子受信機３０７に接続され、他端で第２の１ｘ２スプリッターに接続される。言いかえれば、２つのフィーダーファイバーが各々別個の１ｘ２スプリッターに接続される。
【００９２】
第１の１ｘ２スプリッターの第１出力は、第１導波管に接続される。その導波管はスプリッティングユニット３０３−ｄでの２ｘＮスプリッター（この場合は２ｘ４スプリッター）の第１入力に接続される。第１の１ｘ２スプリッターの第２出力は、第２導波管に接続される。その導波管はスプリッティングユニット３０３−ｅでの２ｘＭスプリッター（この場合は２ｘ４スプリッター）の第１入力に接続される。
【００９３】
第２の１ｘ２スプリッターの第１出力は第３導波管に接続される。その導波管は、スプリッティングユニット３０３−ｄの中の２ｘＮスプリッターの第２入力に接続される。第２の１ｘ２スプリッターの第２出力は第４導波管に接続される。その導波管は、スプリッティングユニット３０３−ｅの中の２ｘＭスプリッターの第２入力に接続される。
【００９４】
Ｎ個のＯＮＵは、スプリッティングユニット３０３−ｄの中の２ｘＮスプリッターのＮ個の出力に接続される。また、Ｍ個のＯＮＵは、スプリッティングユニット３０３−ｅの中の２ｘＭスプリッターのＭ個の出力に接続される。この場合、各ＯＮＵによって受信された信号は原信号のうちの１／８である。
【００９５】
図３（ｅ）は、多重モード干渉スプリッターであるパッシブ光スプリッター３３１の概略図である。実施形態では、スプリッティングユニット２０３は多重モード干渉スプリッターを備える。多重モード干渉スプリッターはＭｘＮ多重モード干渉スプリッターでもよい。ここでＭ≧２かつＮ≧２である。多重モード干渉スプリッターは時々、多重モード干渉カプラー（multi-mode interference coupler）と呼ばれる。
【００９６】
多重モード干渉スプリッターは、Ｍ個（この場合は２）の入力単一モード導波管３３２と、多重モードの干渉が複数のセルフイメージの生成を導く多重モードセクション３３３と、Ｎ個の出力単一モード導波管３３４とを備える。
【００９７】
スプリッターは、適切な方法（例えば高強度レーザービームでの直接描画またはエッチング）で作り上げられたチップ上の複数の導波管で実現されてもよい。しかしながら、他の実現は可能である。多重モード干渉スプリッター３３１は、例えばシリコンでもよく、かつ複数の絶縁体上シリコン導波管を備えてもよい。
【００９８】
多重モード干渉スプリッターは、複数の単一モード入出力を備え、（エバネセント結合を使用する）図３（ａ）に示されるパッシブ光スプリッターに比べて信号を分割する異なる方法を使用する。
【００９９】
多重モード干渉スプリッター３３１では、光は単一モード導波管から多重モード導波管領域３３３に挿入される。多重モード導波管領域３３３で励起されたいくつかのモード間での干渉は、多重モード導波管の中で、あるいくつかの伝搬距離に関して入力光分布の複数のセルフイメージを生成することを導く。複数の出力導波管へのある強度分布での入力からの光を結合するために、複数の出力単一モード導波管は、複数の入力導波管までの適切な距離に位置する。例えば、多重モード導波管の長さが入力光パワーの５０％の各々２つのセルフイメージを生成するように、１ｘ２スプリッターは設計される。これらのセルフイメージが生成される位置に、複数の出力単一モード導波管が置かれる。それは入力強度分布のイメージであるので、光は複数の出力導波管へ効率的（各出力で５０％）に接続される。
【０１００】
一実施形態では、多重モード干渉スプリッターは２ｘＮスプリッターである。一実施形態では、第１入力導波管３３２−１に挿入された複数の光信号は、Ｎ個の出力へ固定比率で分配される。信号は、第１入力導波管３３２−１に挿入された光信号の割合１／Ｎが各出力導波管３３４へ分配されて、Ｎ個に分裂する。第２入力導波管３３２−２に挿入された複数の光信号も、Ｎ個の出力へ固定比率で分配される。
【０１０１】
第１出力導波管３３４−１に挿入された複数の光信号は、２つの入力のそれぞれへ固定比率で分配される。信号は、第１出力３３４−１に挿入された光信号の割合１／Ｎが２つの入力のそれぞれへ分配されて、Ｎ個に分裂する。
【０１０２】
図４（ａ）は、少数モードまたは多重モードのファイバー４１０に接続されたスプリッティングユニット４０３−ａの概略図である。ＯＬＴとパッシブ光スプリッターとの間の古典及び量子の信号を輸送するために２つの独立した単一モードファイバーを使用する代わりに、少数モードまたは多重モードのファイバー４１０は使用される。そのファイバーは同じ導波管の中でいくつかの空間モードの送信を許容する。図は、ＬＰ０１およびＬＰ１１（ＬＰは線形偏光（linearly polarized）を表す）と呼ばれ、これらのモードのうちの２つの実例を示す。ＬＰモードは、光ファイバー中の波動方程式の（ほぼファイバー軸に平行して伝播する）近軸解（paraxial solution）である。それらの電磁場は、ファイバー軸にほぼ直交し、従ってそれらはほぼＴＥＭ（transverse electromagnetic）である。これらの解は、コアと被覆との間の屈折率差が小さい、弱く誘導する導波管の極限に存在する。
【０１０３】
それぞれのモードは、正常な単一モードファイバなどでは、偏光の２つの直交する状態を有する（例えば、ＬＰ０１水平およびＬＰ０１垂直）。異なるＬＰモードは、図に示されるように異なる径方向電磁場分布を有する。言いかえれば、いくらかの重複があるかもしれないが、モードは導波管の中で異なる空間経路に沿って移動する。複数のモードは分離される。すなわち、あるモードからの光は異なるモードへ結合する可能性が低い。モードＬＰ１１での光は、モードＬＰ０１での光に比較して、にから離れた経路に沿って移動する。これは、
ファイバーコアの中心となる位置、またはファイバーコアのオフセットとなる位置に光を射出することによってそれぞれ、モードＬＰ０１あるいはＬＰ１１が選択的に励起されることを可能にする。
【０１０４】
少数モード及び多重モードのファイバーは、１以上の空間モードの送信をサポートするより大きな直径コアを有するファイバーである。少数モードファイバーは、単一モードファイバーよりもわずかだけ大きく、かつほんの少数の追加の空間モード（extra spatial modes）をサポートする。モードが強く結合されないので、これは多重モードファイバーよりもはるかに長い距離にかけて送信が可能になる。一実施形態では、少数モードファイバーは１０未満の空間モードを送信するように構成される。一実施形態では、少数モードファイバーは２０未満の空間モードを送信するように構成される。一実施形態では、少数モードファイバーは５０未満の空間モードを送信するように構成される。一実施形態では、少数モードファイバーは２つの空間モードを送信するように構成される。一実施形態では、少数モードファイバーは４つの空間モードを送信するように構成される。小数モードファイバーコアの直径は特別なファイバータイプ、およびコアと被覆の屈折率および波長のような要因に依存する。ある実施形態では、少数モードファイバーコアの直径は１０から５０μｍである。実施形態では、少数モードファイバーコアの直径は１０から２０μｍである。
【０１０５】
少数モードまたは多重モードのファイバー４１０は、空間モードデマルチプレクサー４０８に接続される。空間モードデマルチプレクサー４０８は、異なる空間モードで送信された複数の信号を分離し、フォトニックランタンと呼ばれる。空間モードデマルチプレクサー４０８は、モードＬＰ０１でのファイバー４１０から第１単一モード導波管へ、複数の入力信号を導き、モードＬＰ１１でのファイバー４１０から第２単一モード導波管へ複数の入力信号を導く。これらの単一モード導波管は２×Ｎパッシブ光スプリッター４０９に接続される。Ｎ個の単一モードファイバー４０２−１から４０２−Ｎはパッシブ光スプリッター４０９の複数の出力ポートに接続される。
【０１０６】
一実施形態では、空間モードデマルチプレクサー４０８はファイバー束を備える。ファイバー束中のファイバーそれぞれの被覆の外径は、ファイバー束中のファイバーそれぞれが多重モードファイバー４１０中の異なる空間モードに光学的に結合されるように、一端で先細りである。
【０１０７】
テーパーはコア中への異なるファイバーの光をガイドするために使用される。束中の異なる複数の光ファイバーからの光は、単一多重モードコアへ射出される。一実施形態では、多重モードコアは幅１０ｕｍである。ファイバーの先細りの端から出る光は、１つの空間モードを主に励起する。ファイバー束中の第１光ファイバーは、他端で第１導波管に光学的に結合され、ファイバー束中の第２光ファイバーは、他端で第２導波管に光学的に結合されてもよい。
【０１０８】
別の実施形態では、空間モードデマルチプレクサー４０８は、複数の３次元導波管を備えるフォトニックチップを備える。チップは、複数の３次元導波管がレーザで彫り込まれる適切な材料から作られる。フォトニックチップの一端に複数の３次元導波管は、平等に一定の間隔を開けて置かれ、さらに複数の単一モードファイバー（例えば第１導波管、第２導波管など）のＶ溝アレイに接続される。他端で、束中の異なる複数の光ファイバーからの光が単一多重モードコアへ射出されるように、複数の３次元導波管はともに接近している。その後、多重モードファイバーはチップのこの側面に接続される。
【０１０９】
空間モードデマルチプレクサー４０８へ第１導波管から入力された複数の信号はモードＬＰ０１でのファイバー４１０へ導かれ、空間モードデマルチプレクサー４０８へ第２導波管から入力された複数の信号はモードＬＰ１１でのファイバー４１０へ導かれる。
【０１１０】
パッシブ光スプリッター４０９は、少数モードファイバーで２より多くの空間モードの使用を可能にするＭ×Ｎパッシブ光スプリッターでもよい。ここでＭ≧２かつＮ≧２である。
【０１１１】
一実施形態では、パッシブ光スプリッターおよび空間モードデマルチプレクサーは、単一フォトニックチップ上に統合される。
【０１１２】
図４（ｂ）は実施形態に従う量子通信システムを示す。システムは、Ｎ個のＯＮＵ４０１−１から４０１−Ｎを備える。ＯＮＵはそれぞれ量子送信機および古典通信装置を備える。ＯＮＵ４０１−１から４０１−Ｎはそれぞれ、光ファイバー４０２−１から４０２Ｎを通って２ｘＮパッシブ光スプリッター４０９の出力ポートに光学的に結合される。２ｘＮパッシブ光スプリッター４０９は、第１導波管および第２導波管を介して空間モードデマルチプレクサー４０８に光学的に結合される。
【０１１３】
少数モードまたは多重モードのファイバー４１０も空間モードデマルチプレクサー４０８に接続される。空間モードデマルチプレクサーは、少数モードファイバー４１０中のモードＬＰ０１へ第１導波管から入力された複数の信号を導き、小数モードファイバー４１０中のモードＬＰ１１へ第２導波管から入力された複数の信号を導く。少数モードファイバー４１０はＯＬＴ４０５に光学的に結合される。ＯＬＴ４０５は古典通信装置４０６および量子受信機４０７を備える。ＯＬＴ４０５はまた第２空間モードデマルチプレクサー４０８−ｂを備える。少数モードファイバー４１０は、第２空間モードデマルチプレクサー４０８−ｂに光学的に結合される。第１導波管は、第２空間モードデマルチプレクサー４０８−ｂと古典通信装置４０６との間で接続し、第２導波管は、第２空間モードデマルチプレクサー４０８−ｂと量子受信機４０７との間で接続する。第２空間モードデマルチプレクサー４０８−ｂは、例えば、古典通信装置４０６から入力される信号をモードＬＰ０１のみへ導く。第１空間チャネル４０４−１は空間モードＬＰ０１を備え、第２空間チャネル４０４−２は空間モードＬＰ１１を備える。
【０１１４】
Ｎ個のＯＮＵを備えたシステムおよび２ｘ８パッシブ光スプリッターは示されるが、パッシブ光スプリッターはＭｘＮスプリッターでもよい。ここで、Ｍ≧２かつＮ＞２である。
【０１１５】
図５（ａ）は、マルチコアファイバー５１１に接続されたスプリッティングユニット５０３の概略図である。ＯＬＴとパッシブ光スプリッターとの間の古典及び量子の信号を輸送する、２つの独立した単一モードファイバーの代わりに、１つのコア当たり１つの空間モードの送信を許可するマルチコア光ファイバー５１１が使用される。
【０１１６】
マルチコアファイバー５１１はファンアウト５１２に接続される。ファンアウトは、第１コアから送信されたダウンストリーム信号を第１単一モード導波管へ導き、第２コアから送信されたダウンストリーム信号を第２単一モード導波管へ導く。これらの単一モード導波管は２×Ｎパッシブ光スプリッター５０９に接続される。Ｎ個の単一モードファイバー５０２−１から５０２−Ｎは２ｘＮパッシブ光スプリッター５０９の複数の出力ポートに接続される。その代わりに、２つよりも多くのコアを有するマルチコアファイバーに、Ｍ×Ｎパッシブ光スプリッターを使用することができる。ここでＭ≧２とＮ≧２である。
【０１１７】
ファンアウト５１２は、第１単一モード導波管から送信された複数のアップストリーム信号を第１コアへ導き、さらに第２単一モード導波管から送信された複数の信号を第２コアへ導く。
【０１１８】
一実施形態では、ファイバーファンアウト５１２はファイバー束を備える。ファイバー束中の各ファイバーの被覆の外径は、マルチコアファイバー中のコア間の最小距離以下である。ファイバー束中のファイバーはそれぞれ、マルチコアファイバー中のコアに光学的に結合される。ファイバー束は、標準単一モードファイバーと比較して小さい直径を備えた被覆がある、単一モードファイバーを備える。小さい直径の被覆を備えた単一モードファイバーは、ファイバーファンアウト内に緊密に詰められている。また、単一モードファイバーはそれぞれマルチコアファイバー中のコアに接続される。複数の単一モードファイバー中の被覆量の減少がそれらを緊密に詰めることを可能にするので、複数の単一モードファイバー中のコア間の距離は、マルチコアファイバー中のコア間の距離と等しい。それらが（例えば接着剤で）ぎっしり詰められた後、複数の単一モードファイバーの詰め込まれた束の端面は磨かれ、かつマルチコアファイバーに接続される。ファイバー束およびマルチコアファイバーの複数のコアは、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（aligned）されなければならない。ファイバー束中の第１光ファイバーは他端で第１導波管に光学的に結合されてもよく、またファイバー束中の第２光ファイバーは他端で第２導波管に光学的に結合されてもよい。
【０１１９】
別の実施形態では、ファイバーファンアウト５１２は複数の３次元導波管を備えるフォトニックチップを備える。チップは、複数の３次元導波管がレーザで彫り込まれる適切な材料から作られる。フォトニックチップの一端に、複数の３次元導波管は平等に一定の間隔を開けて置かれ、さらに複数の単一モードファイバー（例えば第１導波管、第２導波管など）のＶ溝アレイに接続される。他端で、間隔がマルチコアファイバーのコア間隔がマルチコアファイバーのコア配置と一致するように、複数の３次元導波管はともに接近している。そのとき、マルチコアファイバーはチップのこの側に接続される。
【０１２０】
複数のファンアウトは、異なるコアに信号を送り出すために、いくつかの単一モードファイバーをマルチコアフィバーで接続するために使用される。
【０１２１】
一実施形態では、パッシブ光スプリッターおよびファイバーファンアウトは単一フォトニックチップ上に統合される。
【０１２２】
図５（ｂ）は実施形態に従う量子通信システムを示す。システムはＮ個のＯＮＵ５０１−１から５０１−Ｎを備える。ＯＮＵはそれぞれ量子送信機および古典通信装置を備える。ＯＮＵ５０１−１から５０１−Ｎはそれぞれ、光ファイバー５０２−１から５０２−Ｎを通って２ｘＮパッシブ光スプリッター５０９の出力ポートに光学的に結合される。２ｘＮパッシブ光スプリッター５０９は、第１導波管および第２導波管を介してファンアウト５１２に光学的に結合される。
【０１２３】
Ｎ個のＯＮＵと２ｘ８パッシブ光スプリッターを備えたシステムが示されるが、パッシブ光スプリッターはＭｘＮパッシブ光スプリッターでもよい。ここでＭ≧２かつＮ≧２である。
【０１２４】
マルチコアファイバー５１０もまたファンアウト５１２に接続される。ファンアウト５１２は、第１導波管から入力された複数の信号をマルチコアファイバー５１１中の第１コアに導き、第２導波管から入力された複数の信号をマルチコアファイバー５１１中の第２コアに導く。マルチコアファイバー５１１は、ＯＬＴ５０５に光学的に結合される。ＯＬＴ５０５は古典通信装置５０６および量子受信機５０７を備える。ＯＬＴ５０５は第２ファイバーファンアウト５１２−ｂをも備える。マルチコアファイバー５１０は、第２ファイバーファンアウト５１２−ｂに光学的に結合される。第１導波管は、第２ファイバーファンアウト５１２−ｂと古典通信装置５０６との間に接続する。また、第２導波管は、第２ファイバーファンアウト５１２−ｂと量子受信機５０７との間に接続する。第２ファイバーファンアウト５１２−ｂは、例えば、古典通信装置５０６から入力される複数の信号を第１コアのみへ導く。第１空間チャネル５０４−１は第１コアとを備え、第２空間チャネル５０４−２は第２コアを備える。
【０１２５】
図５（ｃ）は、マルチコア導波管５１１中のコアはそれぞれ、上記の図４に関連して記述された多重モード導波管４１０のような多重モード導波管であるスプリッティングユニット５０３の概略図である。スプリッティングユニット５０３は、ファイバーファンアウト５１２と、複数の空間モードデマルチプレクサ５０８−１および５０８−２と、複数のパッシブ光スプリッター５０９−ａおよび５０９−ｂとを備える。マルチコアファイバー５１１は、ファイバーファンアウトに接続される。
【０１２６】
ファイバーファンアウト５１２は、マルチコアファイバー５１１中の第１コアを、第１多重モードファイバーに光学的に結合し、マルチコアファイバー５１１中の第２コアを、第２多重モードファイバーに光学的に結合するように構成される。
【０１２７】
第１多重モードファイバーは第１空間モードデマルチプレクサー５０８−１に接続され、第２多重モードファイバーは第２空間モードデマルチプレクサー５０８−２に接続される。
【０１２８】
第１空間モードデマルチプレクサー５０８−１は、第１多重モードファイバー中の第１空間モードを第１導波管に光学的に結合するように構成される。第１空間モードデマルチプレクサー５０８−１は、第１多重モードファイバー中の第２空間モードを第２導波管に光学的に結合するように構成される、など。
【０１２９】
第２空間モードデマルチプレクサー５０８−２は、第２多重モードファイバー中の第１空間モードを、第３導波管に光学的に結合するように構成される。第２空間モードデマルチプレクサー５０８−２は、第２多重モードファイバー中の第２空間モードを、第４導波管に光学的に結合するように構成される、など。
【０１３０】
第１導波管は、２ｘＮパッシブ光学スプリッター５０９−ａの第１出力に接続される。第２導波管は、２ｘＭパッシブ光スプリッター５０９−ｂの第１出力に接続される。第３導波管は、２ｘＮパッシブ光学スプリッター５０９−ａの第２出力に接続される。第４導波管は、２ｘＭパッシブ光スプリッター５０９−ｂの第２出力に接続される、など。
【０１３１】
パッシブ光スプリッター５０９−ａの複数の入力は、Ｎ個のＯＮＵに結合される複数の分配ファイバー５０２−ａに接続される。パッシブ光スプリッター５０９−ｂの複数の入力は、Ｍ個のさらなるＯＮＵに結合される分配ファイバー５０２−ｂに接続される。
【０１３２】
図５（ｃ）に示されるシステムは、いくつかの複数の古典信号が第１コアで送信されることを可能にし、いくつかの複数の量子信号が第２コアで送信されることを可能にする。その後、これらは各々多くの接続されたＯＮＵを有する複数のパッシブ光スプリッターに配送される配達される。これらをパッシブ光スプリッターを介して各々定義された、別個のネットワーク（すなわちサブネットワーク）であると考えることができる。この構成は、多数のＯＮＵがＯＬＴに接続されることを可能にする。ＯＬＴはいくつかのトランシーバー（サブネットワークのそれぞれにつき１つ）を含んでいてもよい。それはいくつかの量子受信機も含んでもよい。
【０１３３】
図６は、実施形態に従う量子通信システムの概略図である。量子通信システムは、複数のＯＮＵ６０１−１から６０１−Ｎを備える。ＯＮＵはそれぞれ量子送信機および古典受信機を備える。ＯＮＵ６０１−１から６０１−Ｎはそれぞれ、複数の空間チャネル６０２−１から６０２−Ｎを通ってスプリッティングユニット６０３に光学的に結合される。スプリッティングユニット６０３は、ＯＬＴ６０５に光学的に結合される。ＯＬＴ６０５は古典送信機６０６および量子受信機６０７を備える。古典送信機６０６は、空間チャネル６０４−１を通ってスプリッティングユニット６０３に光学的に結合される。また、量子受信機６０７は空間チャネル６０４−２を通ってスプリッティングユニット６０３に光学的に結合される。複数の古典データ信号は空間チャネル６０４−１経由でスプリッティングユニット６０３と古典通信装置６０６との間で移動する。複数の量子信号は空間チャネル６０４−２経由でスプリッティングユニット６０３と量子受信機６０７との間で移動する。
【０１３４】
実施形態では、複数の空間チャネル６０４−１および６０４−２は別個の単一モードファイバーを備え、スプリッティングユニット６０３は図３に関して記述されたような２ｘＮパッシブ光スプリッターである。
【０１３５】
別の実施形態では、複数の空間チャネル６０４−１から６０４−２は、少数モードファイバーあるいは多重モードファイバーで異なるモードを備え、スプリッティングユニット６０３は、図３に関して記述されたスプリッティングユニット４０３−ａまたは４０３−ｂのようなスプリッティングユニットである。
【０１３６】
別の実施形態では、複数の空間チャネル６０４−１および６０４−２は、マルチコアファイバー中の異なるコアを備え、スプリッティングユニット６０３は、図５に関して記述されたスプリッティングユニット５０３のようなスプリッティングユニットである。
【０１３７】
複数のダウンストリーム古典データ信号は、量子信号への別個の空間チャネル上の、ＯＬＴ６０５とスプリッティングユニット６０３との間で送信される。Ｎ個の量子古典複合ＯＮＵ６０１−１から６０１−Ｎは、古典送信機６０６および量子受信機６０７にスプリッティングユニット６０３を介して接続される。
【０１３８】
古典送信機６０６は、ダウンストリーム方向（つまりＯＬＴからＯＮＵ）で空間チャネル６０４−１にデータ信号を送り出す。一実施形態では、ダウンストリームデータ信号は１４９０ｎｍである。空間チャネル６０４−１は、単一モード光ファイバー、例えばマルチコアファイバーでのコア、または少数モードまたは多重モードでのモードのファイバーを備えてもよい。データ信号の分割１／Ｎは、スプリッティングユニット６０３によってＮ個の分配ファイバー６０２−１から６０２−Ｎのそれぞれに分配される。一実施形態では、アップストリーム古典信号も１３１０ｎｍでＯＮＵから送られてもよい。
【０１３９】
ＯＮＵ６０１−１から６０１−Ｎでの複数の量子送信機は、複数の分配ファイバー６０２−１から６０２−Ｎに量子信号を上流に送り出す。一実施形態では、量子信号は１５５０ｎｍである。ＯＮＵからのアップストリーム量子信号およびダウンストリームデータ信号は、同じ空間チャネル６０２−１から６０２−Ｎに沿って移動し、波長分割多重化される。量子信号の分割１／Ｎだけが、ＯＬＴ中の量子／従来の受信機に到達する。残りの光はスプリッターでブロックされる。
【０１４０】
複数の空間チャネル６０２−１から６０２−Ｎでの量子波長域にダウンストリームデータ信号からのラマンノイズがある。複数の分配ファイバー６０２−１から６０２−Ｎで生成されたダウンストリームラマンノイズは、スプリッターによって量子信号（およびアップストリーム信号）と同じくらいに分裂している。
【０１４１】
データ信号によって引き起こされたファイバー６０４−２中の後方散乱光は、スプリッティングユニット６０３でパッシブ光スプリッターによって分裂される。
【０１４２】
Ｍ個の入力のうちの１つからＮ個の出力までのＭｘＮ（ここでＭ＞Ｎ）パッシブ光スプリッターを通って移動する信号は、Ｎ個の出力へ分裂する。出力よりも入力が少なく、従って、他の方向にスプリッターを通って移動する信号に関して、信号の（Ｎ−Ｍ）／Ｎはスプリッターで失われるかブロックされる。
【０１４３】
図６に示されるシステムでは、ダウンストリーム信号はパッシブ光スプリッターで分離され、ダウンストリームパワーの１／Ｎは各分配ファイバー６０２−１から６０２−Ｎに沿って移動する。各ファイバーでラマンノイズは生成される。後方散乱光は、出力から入力への方向にパッシブ光スプリッターを再び通り抜ける。後方散乱信号はパッシブ光スプリッターによって分裂される。また、後方散乱信号の１／Ｎはファイバー６０４−１へ送信され、１／Ｎはファイバー６０４−２へ送信される。後方散乱光の（Ｎ−２）／Ｍはスプリッターによってブロックされる。
【０１４４】
生成されたラマンノイズの１／Ｎだけが、複数の量子送信機に到達する。
【０１４５】
複数のアップストリーム量子信号の１／Ｎは空間入力チャネル６０４−１および６０４−２の両方で分配される。空間チャネル６０４−２へ分配された量子信号だけが、量子受信機６０７によって拾い上げられる。ＯＮＵ６０１−１から６０１−Ｎの全てからの信号が、同じ空間チャネル６０４−２（例えば単一光ファイバー中で）を共有することができるように、複数のアップストリーム量子信号は時分割多重化される。スプリッティングユニット６０３の合成された出力は、量子受信機６０７に接続される。
【０１４６】
単一量子受信機６０７は多数のＯＮＵ６０１−１から６０１Ｎから複数の量子信号を受け取る。多数の送信機からの複数の量子信号は、スプリッティングユニット６０３で時間的にインターリーブされる。受信機６０７はデコーダと検出器サブシステム（図示せず）を備えてもよい。
【０１４７】
スプリッティングユニット６０３はパッシブ光スプリッターを備える。量子チャネルおよび古典チャネルは両方とも、パッシブ光スプリッターに光学的に結合される。一実施形態では、追加の複数のコンポーネント（例えばフィルタ）は、スプリッティングユニット６０３中の適正なコンポーネントからの、およびそのコンポーネントへの直接信号に使用されるＯＮＵ６０１−１から６０１−Ｎとスプリッティングユニット６０３との間に位置した追加のコンポーネント（例えばフィルタ）は使用されない。言いかえれば、一実施形態で、スプリッティングユニット６０３中のあるコンポーネントに複数の量子信号を導き、かつスプリッティングユニット６０３中の別のコンポーネントに複数の古典信号を導くための複数のフィルターは使用されない。なぜなら両方の信号は同じパッシブ光スプリッターによって分配されるからである。
複数のＯＮＵからスプリッティングユニット６０３へ入力された複数の信号は、分割され、ＯＬＴ６０５に両方の空間チャネルを下って送られる。ＯＬＴ６０５からの複数の信号は分裂され、複数のＯＮＵへの全ての空間チャネルを下って送られる。パッシブ光スプリッターは、複数の空間チャネル間の信号を分裂させる。それは特別なチャネルへ信号を導かない、あるいはその特別なチャネルから信号を導かない。
【０１４８】
実施形態では、スプリッティングユニット６０３で全ての光学コンポーネントは、第１空間チャネル６０４−２を通って量子受信機に光学的に結合され、さらにまた第２空間チャネル６０４−１を通って第１古典通信装置に光学的に結合される。言いかえれば、量子および古典チャネルの両方はスプリッティングユニット６０３内の同じ光学コンポーネントに結合される。例えば、スプリッティングユニット６０３が図３に関して記述されたような２ｘＮパッシブ光スプリッターである場合、両方の複数の空間チャネル６０４−１および６０４−２は単一の２ｘＮパッシブ光スプリッター３０３に結合される。スプリッティングユニット６０３が図４に関して記述された通りである場合、複数の空間チャネル６０４−１および６０４−２の両方は、空間モードデマルチプレクサー４０８およびパッシブ光スプリッター４０９に光学的に結合する。スプリッティングユニット６０３が図５に関して記述された通りである場合、両方の空間チャネル６０４−１および６０４−２は、ファイバーファンアウト５１２およびパッシブ光スプリッター５０９に光学的に結合する。
【０１４９】
量子信号および（または）データ信号はいくつかの別個の波長チャネルあるいは偏光チャネルで送信されてもよい。さらに、パッシブ光スプリッターが波長に基づいて信号を選択しないまたは分裂しないので、どんな波長も量子信号かデータ信号のいずれかを送信するために使用されてもよい。上に記述されるように、パッシブ光スプリッターは、ある波長範囲（例えばテレコムＣ、Ｏ、Ｌバンド）にわたり波長に依存しない。それは、その波長に依存する光を反射しないまたは送信しない。波長に依存しないことによって、どんな波長依存性も装置の性能に影響しないように十分に小さいことを意味する。一実施形態では、パッシブ光スプリッターの入力と出力との間の分割比は、特定の波長範囲に渡って２０％未満まで変化する。一実施形態では、パッシブ光スプリッターの入力と出力との間の分割比は、特定の波長範囲上の１０％未満まで変化する。ある実施形態では、パッシブ光スプリッターの入力と出力との間の分割比は、特定の波長範囲上の５０％未満まで変化する。
【０１５０】
図６では、古典通信はダウンストリームデータ信号のみで描かれる。ダウンストリームデータ信号はＯＮＵのすべてに放送されてもよい。しかしながら、ＯＮＵ６０１−１から６０１−ＮおよびＯＬＴ６０５はすべて、古典送信機と古典受信機の両方を備えてもよい。分配ファイバー６０２−１から６０２−ＮへＯＮＵ６０１−１から６０１−Ｎによって射出されたどんなアップストリーム古典データ信号も、量子信号のように両方の複数の空間チャネル６０４−１および６０４−２へ分配される。チャネル６０４−１へ分配されたアップストリーム古典信号の１／Ｎだけが、ＯＬＴ６０５中の古典受信機によって拾い上げられる。量子受信機６０７の前の波長フィルタは、アップストリーム古典データ信号が量子受信機６０７に入るのを防ぐために含まれていてもよい。量子信号はそれが古典通信装置６０６での古典信号に影響しない程度に十分に弱い。ＯＮＵからのアップストリーム古典データは時分割多重化されでもよい。
【０１５１】
図６は、量子および古典通信信号の両方を送信する光ネットワークを示す。それはアップストリーム量子アクセスネットワークアーキテクチャに基づく。いくつかの組み合わされた量子送信機および古典受信機６０１−１から６０１−Ｎは、スプリッティングユニット６０３を介して量子受信機６０７および古典送信機６０６に接続される。そのスプリッティングユニットは波長に依存しないパッシブ光スプリッターを備える。古典データ信号は、空間チャネル６０４−１に射出され、スプリッティングユニット６０３によってＮ個に分裂し空間チャネル６０２−１から６０２−Ｎになる。複数の量子信号は、終点６０１−１から６０１−Ｎによってアップストリームへ発射され、複数の空間チャネル６０４−１および６０４−２でスプリッティングユニット６０３によって組み合わせられる。チャネル６０４−２に沿って移動する量子信号だけが、量子受信機６０７によって拾い上げられる。量子およびダウンストリーム古典信号を異なる複数の空間チャネルへ分離することは、ダウンストリーム古典信号のラマン後方散乱から生成される複数のフォトンが量子受信機６０７に到達しないことを意味する。
【０１５２】
図７は、実施形態に従う量子通信システムの概略図である。量子信号と同期信号の両方は送信され、同期信号は量子信号への別個の光学空間チャネル上で送信される。同期信号はマスタークロック信号のような別個の信号でもよい。これとは別に、専用の同期信号を送らずに、量子受信機側から古典チャネルで送られるデータから、量子送信機側でシステムクロックを生成することができる。
【０１５３】
量子通信システムは、複数のＯＮＵ７０１−１から７０１−Ｎを備える。ＯＮＵはそれぞれ量子送信機および古典受信機を備える。ＯＮＵ７０１−１から７０１−Ｎはそれぞれ、複数の空間チャネル７０２−１から７０２−Ｎを通ってスプリッティングユニット７０３に光学的に結合される。スプリッティングユニット７０３は、ＯＬＴ７０５に光学的に結合される。ＯＬＴ７０５はタイミング制御モジュール７０６および量子受信機７０７を備える。タイミング制御モジュール７０６は、空間チャネル７０４−１を通ってスプリッティングユニット７０３に光学的に結合される。また、量子受信機７０７は空間チャネル７０４−２を通ってスプリッティングユニット７０３に光学的に結合される。複数のタイミング同期信号は、空間チャネル７０４−１を介してスプリッティングユニット７０３とタイミング制御モジュール７０６との間で移動する。複数の量子信号は空間チャネル７０４−２を介してスプリッティングユニット７０３と量子受信機７０７との間で移動する。
【０１５４】
実施形態では、複数の空間チャネル７０４−１および７０４−２は別個の複数の単一モードファイバーを備える。また、スプリッティングユニット７０３は、図３に関して記述されたような２ｘＮパッシブ光スプリッターである。
【０１５５】
別の実施形態では、複数の空間チャネル７０４−１から７０４−２は、少数モードファイバーあるいは多重モードファイバーでの異なったモードを備え、スプリッティングユニット７０３は、図４に関して記述されたスプリッティングユニット４０３−ａまたは４０３−ｂのようなスプリッティングユニットである。
【０１５６】
別の実施形態では、複数の空間チャネル７０４−１および７０４−２は、マルチコアファイバー中の異なるコアを備える。また、スプリッティングユニット７０３は、図５に関して記述されたスプリッティングユニット５０３のようなスプリッティングユニットである。
【０１５７】
複数のタイミング同期信号は、量子信号への別個の光学空間チャネル上にあるＯＬＴ７０５とスプリッティングユニット７０３との間で送信される。Ｎ個の組み合わされた量子と古典のＯＮＵ７０１−１から７０１−Ｎは、スプリッティングユニット７０３を介してタイミング制御モジュール７０６および量子受信機７０７に接続される。
【０１５８】
タイミング制御モジュール７０６は、空間チャネル７０４−１へダウンストリーム方向（つまりＯＬＴから複数のＯＮＵへ）に同期信号を送信する。一実施形態では、同期信号には１５００ｎｍを超える波長がある。一実施形態では、同期信号は１６１０ｎｍである。空間チャネル７０４−１は、単一モード光ファイバー、多重モードファイバにおけるコア、または少数モードまたは多重モードファイバにおけるモードを備えてもよい。データ信号の１／Ｎは、Ｎ個の分配ファイバー７０２−１から７０２−Ｎそれぞれの上にスプリッティングユニット７０３により分配されてもよい。
【０１５９】
ＯＮＵ７０１−１から７０１−Ｎ中の複数の量子送信機は、分配ファイバー７０２−１から７０１−Ｎへ量子信号を上流に送り出す。一実施形態では、量子信号は１５５０ｎｍである。ＯＮＵからの量子信号および同期信号は同じ空間チャネルに沿って移動し、波長分割多重化される。量子波長域に同期信号からのラマンノイズがあってもよい。
【０１６０】
複数のアップストリーム量子信号の１／Ｎは空間入力チャネル７０４−１および７０４−２両方の上に分配される。空間チャネル７０４−２へ分配された複数の量子信号だけが、量子受信機７０７によって拾い上げられる。複数のアップストリーム量子信号は、すべてのＯＮＵ７０１−１から７０１−Ｎからの信号が、同じ空間チャネル（例えば単一光ファイバーで）を共有することができるように、時分割多重化される。スプリッティングユニット７０３の合成された出力は、受信機７０７に接続される。
【０１６１】
単一量子受信機７０７は多数のＯＮＵ７０１−１から７０１−Ｎからの複数の量子信号を受け取る。複数の量子信号は、スプリッティングユニット７０３で時間的にインターリーブされる。量子受信機７０７はデコーダと検出器のサブシステム（図示せず）を備えてもよい。
【０１６２】
タイミング制御モジュール７０６は、ＯＮＵ７０１−１から７０１−Ｎがそれぞれ同期されるマスタークロック信号を提供する。任意の受信機クロック周期で、高々１つのＯＮＵ７０１−１から７０１−Ｎは、量子情報で符号化されたパルスを送信することが可能になる。タイミング制御モジュール７０６はマスタークロック信号を出力し、どのＯＮＵ７０１−１から７０１−Ｎがたった今受信したパルスを送信したかをＯＬＴ７０５が識別することを可能にする。
【０１６３】
ＯＬＴ７０５のマスタークロックによって調整された時間間隔を有する一連の光パルスであるスプリッティングユニット７０３の後で合成された量子信号を生成するために複数の量子信号の出力が遅延されるように、ＯＮＵ７０１−１から７０１−Ｎの各送信機中の源を制御することができる。
【０１６４】
各ＯＮＵ７０１−１から７０１−Ｎの各放出の複数のタイムスロットを、複数の量子信号の衝突を回避するためにＯＮＵ７０１−１から７０１−ＮとＯＬＴ７０５との間であらかじめ合意することができる。これを達成するために、タイミング制御モジュール７０６は各ＯＮＵ７０１−１から７０１−Ｎに複数のタイムスロットを割り当てることができる。ある実施形態では、図７に示されるように、量子送信機はそれぞれマスタークロック周波数の１／Ｎで順番にパルスを送信してもよい。あるいはまた、量子送信機はそれぞれ多くのパルスを送信する、または量子鍵全体を順番に送信してもよい。
【０１６５】
定期的に到着する複数の量子信号は、量子受信機７０７中の検出器サブシステムによって検知される。各検出イベントに続いて、ＯＬＴ７０５は、光子の到着時刻から、検出イベントを生じさせた光子を送ったＯＮＵ７０１−１から７０１−Ｎを最初に識別してもよい。
【０１６６】
図８は、実施形態に従う量子通信システムの概略図である。量子送信機８３１および量子受信機８０７は複数の非対称マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）に基づいている。送信機ユニット８０１−１は量子送信機８３１および古典通信装置８３０を備える。受信機ユニット８０５は量子受信機８０７および古典通信装置８０６を備える。量子送信機８３１と量子受信機８０７とは、ファイバー８０２−１ｂ、波長分割多重化装置８３２、ファイバー８０２−１、スプリッティングユニット８０３および空間チャネル８０４−を通じて接続される。古典通信装置８３０および古典通信装置８０６は、ファイバー８０２−１ａ、波長分割多重化装置８３２、ファイバー８０２−１、スプリッティングユニット８０３および空間チャネル８０４−１を通じて接続される。これは古典チャネルと呼ばれる。
【０１６７】
ある実施形態では、複数の空間チャネル８０４−１および８０４−２は別個の単一モードファイバーを備える。また、スプリッティングユニット８０３は、図３に関して記述されたような２ｘＮパッシブ光スプリッターである。
【０１６８】
別の実施形態では、複数の空間チャネル８０４−１および８０４−２は、少数モードファイバーあるいは多重モードファイバー中の異なるモードを備える。また、スプリッティングユニット８０３は、図４に関して記述されたスプリッティングユニット４０３−ａあるいは４０３−ｂのようなスプリッティングユニットである。
【０１６９】
別の実施形態では、複数の空間チャネル８０４−１および８０４−２は、マルチコアファイバー中の異なるコアを備える。また、スプリッティングユニット８０３は、図５に関して記述されたスプリッティングユニット５０３のようなスプリッティングユニットである。
【０１７０】
スプリッティングユニット８０３に接続されたファイバー８０２−１から８０２−Ｎはそれぞれ、複数の送信機がスプリッティングユニット８０３を通って受信機８０７に接続されるように、別個の量子送信機に接続される。しかしながら、簡単化のために、１つの送信機だけが図面の中で示される。
【０１７１】
量子送信機８３１の内部の光子源８１０は光の複数のパルスを備える量子信号を生成する。その後、複数のパルスは非対称なＭＺＩ８１１を使用して符号化される。複数のパルスはビームスプリッター８１２へ導かれる。ビームスプリッター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、干渉計の短いアーム８１３を形成する。ビームスプリッター８１２の別の出力は偏光ビーム結合器８１７に順に接続されるファイバーループ８１５に接続される。これは、干渉計の長いアーム８１４を形成する。長いアーム８１４を移動する複数の光パルスは、短いアーム８１３を移動する複数の光パルスに対して遅れる。
【０１７２】
量子送信機８３１は、さらに複数の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備えてもよい。強度変調器は、おとり状態ＱＫＤプロトコルを実現するように構成されてもよい。このプロトコルでは、異なる強度で安全に受信されたパルス数を測定することによって、送信者と受信機が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られる。送信機は複数の強度変調器を備えてもよい。
【０１７３】
位相変調器８１６は短いアーム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、ＬｉＮｂＯ３のような、結晶屈折率が電場の強さの関数である結晶を備えることができる。それとは別に、位相変調は受動手段によって与えられることができ、例えば異なる固定された位相差に適用するようにそれぞれ構成される複数の固定された位相要素と、前記複数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である。
【０１７４】
干渉計の短いアーム８１３から移動する光パルスの偏光は、第１偏光から第１偏光に直角である第２偏光へ、偏光ビームスプリッター８１７によって反転される。
【０１７５】
したがって、量子送信機８３１は、分配ファイバー８０２−１を下って移動する、選択された位相差および直交偏光を備えたコヒーレント二重パルスを生成する。
【０１７６】
偏光コントローラ８１８は、複数のパルスの偏光のどんな偏差も修正する。各ＯＮＵでの量子送信機はそれぞれ、受信機に個々に到着する複数のパルスの偏光を調整する（align）ために、別個の偏光コントローラを使用してもよい。複数の量子送信機はあらかじめ補償されてもよい。その代わりに、受信機側（ＯＬＴ）で単一偏光コントローラを設置してもよい。
【０１７７】
複数の量子光パルスは、量子送信機８３１を出て、波長分割多重化装置８３２にファイバー８０２−１ｂを介して送られる。複数の量子信号は第１波長で送信される。波長分割多重化装置８３２は、ファイバー８０２−１ｂからファイバー８０２−１へ入力された複数の信号を送信する。複数の量子信号はスプリッティングユニット８０３にファイバー８０２−１を介して送られる。一実施形態では、複数の量子光パルスは、量子受信機８０７に光学的に結合される空間チャネル８０４−２に挿入された複数のパルスそれぞれの１／Ｎで、スプリッティングユニット８０３によってＮに分裂される。
【０１７８】
量子受信機８０７では、複数のパルスは非対称なＭＺＩ８２１を使用して解読される。干渉計８２１の短いアーム８２４は、前述のように位相変調器８２６を備える。干渉計の長いアーム８２３は、正確に送信機中でファイバーループ８１５と一致するファイバーループ８２５を備える。長いアーム８２３および短いアーム８２４は各々、偏光ビームスプリッター８２２の出力のうちの１つに接続し、ビームスプリッター８２７の入力のうちの１つに接続される。
【０１７９】
偏光ビームスプリッター８２２は、干渉計の長いアーム８２３を下って第２偏光で入る光パルスと、偏光ビームスプリッター８２２に入力する短いアーム８２４を下って第１偏光で光パルスとを送る。第２偏光で偏光ビームスプリッター８２２を通って移動するパルスの偏光は、第１偏光に反転される。
【０１８０】
ビームスプリッター８２７の複数の出力は光子検出器８２８および８２９に接続される。送信機８３１および受信機８０７で適用された位相変調に依存して、信号は光子検出器８２８あるいは光子検出器８２９のいずれかで検出される。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く複数のゲート制御された単一光子検出器でもよいし、特にＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードに基づく複数のゲート制御された単一光子検出器でもよい。検出器は自己差分型（self-differencing）検出器のようなゲート制御された検出器でもよい。自己差分型検出器は時間選別（time-filtering）を自動的に行なう。時間選別は複数の量子信号の既知の到着時刻により可能である。検出器は、単に光子が検出器に入射する時にだけ駆動する。自己差分型は、ラマンノイズを約１０倍減少させる可能性がある。
【０１８１】
位相変調器８１６と位相変調器８２６を使用して、ＢＢ８４のような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８３１での）アリスは、４つの等間隔の位相値からランダムに位相値を選ぶ。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して、４つの異なる値のうちの１つに位相変調器８１６をランダムに設定することができる。０およびπは第１符号化基底でビット０および１に対応付けられ、一方π／２および３π／２は第２符号化基底でビット０および１に対応付けられる。
【０１８２】
（受信機８０７での）ボブは、０あるいは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をランダムに設定することができる。これは、第１測定基底と第２測定基底との間でそれぞれ選択することになる。言いかえれば、アリスの０およびπの値はボブの０値（第１基底）と互換性をもつ。また、アリスのπ／２および３π／２の値はボブのπ／２値（第２基底）と互換性をもつ。
【０１８３】
０の位相差（つまり、アリスによって適用された位相シフトは０でありかつボブによって適用された位相シフトは０であるか、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、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での検出につながる。他方では、πの位相差がある場合（つまり、アリスによって適用された位相シフトはπでありかつボブによって適用された位相シフトが０であるか、またはアリスによって適用された位相シフトが３π／２でありかつボブによって適用された位相シフトがπ／２である）、検出器８２９での検出になる。２つの位相変調器で適用された位相変調間の差の任意の他の値については、光子が検出器８２８あるいは検出器８２９で出力する有限な確率がある。
【０１８４】
アリスもボブも、他者がどの値を選ぶかを知らないか、またはそれらの値を選ぶ時を選択しない。単に後で、彼らが同じ基底を使用したかどうかを比較し、その後、彼らが同じ基底を使用した場合に最終鍵に関する値を使用するだけである。異なる基底を使用して行うどんな測定からの結果も破棄される。この過程は精査（sifting）として知られる。
【０１８５】
定期的に到着する複数の量子信号は、量子受信機８０７中の検出器８２８および８２９によって検出される。それぞれの検出イベントに続いて、光子を送った送信機は光子の到着時刻から識別される。その後、受信機８０７は、古典通信装置８０６から古典通信装置８３０へ、識別された送信機に到着時刻を知らせかつ基底を復号することによって、精査過程（sifting process）を開始する。検出された光子ごとにこの過程を繰り返すことで、送信機のそれぞれ１つは精査された鍵シーケンスを、例えば少なくとも数千ビットの長さで受信機８０７で形成する。その後、送信機と受信機は、完全にそれらの間の秘密鍵を蒸留するために誤り訂正とプライバシー増幅過程を開始することができる。古典通信装置８０６は、誤り訂正およびプライバシー増幅のために、送信機と受信機との間で古典通信を行なうでもよい。
【０１８６】
図８のシステムは、ＢＢ８４プロトコルを使用する単一受信機を共有する多数の送信機を有するＱＫＤネットワークをどのように実施するかの一例である。例えば、他の量子通信プロトコルおよび光学装置も実行することができる。例えば、コヒーレント一方向プロトコル（coherent-one-way protocol）あるいは差動位相シフトプロトコル（differential phase shift protocol）。
【０１８７】
実施形態では、古典通信装置８３０と古典通信装置８０６との間で送られた古典信号は、第２波長で送られる。第２波長は、量子信号が送信される第１波長とは異なる。古典通信装置８０６からの送信は、空間チャネル８０４−１に沿って送信される。また、信号の一部分は、スプリッティングユニット８０３によって各分配ファイバー８０２−１から８０２−Ｎに分配される。分配ファイバー８０２−１中の古典信号の一部分は、波長分割多重化装置８３２に送信される。第２波長でファイバー８０２−１から波長分割多重化装置８３２へ入力された信号は、古典通信装置８３０に接続されるファイバー８０２−１ａへ導かれる。したがって、波長分割多重化装置８３２は古典通信装置８３０へ複数の古典信号を導く。
【０１８８】
ＷＤＭカプラー（ＷＤＭモジュールあるいは波長フィルタとも呼ばれる）は薄膜波長フィルターに基づいてもよい。第１フィルタは選択された波長を反射するか透過し、かつ全ての他の波長を通過させる。残りの光は、第２の選択された波長を反射または透過しかつ他の全ての波長を通過させる第２フィルタに送られる、など。ＷＤＭモジュールの他のタイプは、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）に基づくでもよい。これらは１つのチップに統合され、選択された波長の光を、選択された導波管に導くように干渉を使用する。ＷＤＭモジュールの他のタイプは、選択された波長を反射または透過する光ファイバーへ刻み込まれた格子である、ファイバーブラッグ格子（Bragg grating）に基づくでもよい。 
【０１８９】
同期チャネルは古典チャネルを介して実現される。マスタークロック信号のような同期信号は、古典チャネルで送られてもよい。これとは異なり、別個の同期信号は送られないがしかし、クロックは古典データストリームから回復される。
【０１９０】
古典信号は異なる波長で送信されたいくつかの信号からできていてもよい。これは、例えば１４９０ｎｍのデータ信号および１６１０ｎｍのマスタークロック信号である。ＷＤＭコンポーネントはファイバー８０２−１ａ上にいくつかの波長を導くことができる。言いかえれば、それは、選択的に他の複数の波長から単一波長（量子信号）を分離することができる。
【０１９１】
実施形態では、受信機でのタイミング制御モジュールは、送信機がそれぞれ同期されるマスタークロック信号を提供する。マスタークロック信号は、古典通信装置８０６から送信機ユニット中の古典通信装置８３０に送信される。任意の受信機クロック周期では、せいぜい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可能にする。マスタークロック信号によって、受信機が受信したばかりのパルスをどの送信機が送信したかを、受信機が識別することを可能にする。
【０１９２】
スプリッティングユニット８０３の後に合成された光信号を生成するために、各送信機ユニットからの複数の量子光パルスの出力が遅れるように、各送信機ユニットでの量子源を制御することが可能である。合成された光信号は、受信機のマスタークロックによって調整された時間間隔を備えた一連のパルスである。パルスの衝突を回避するために送信機と受信機との間で、送信機ごとの各エミッションの複数のタイムスロットをあらかじめ合意することができる。これを達成するために、受信機ユニット８０５中のタイミング制御モジュールは各送信機ユニットに複数のタイムスロットを割り当てることができる。また、送信機ユニットはそれぞれ、その後マスタークロック周波数の１／Ｎで順番にパルスを送信する。これとは別に、量子送信機はそれぞれ多くのパルス、あるいは量子鍵全体を順番に送信してもよい。タイムスロット割り当ては古典チャネル上に生じる。古典データはフレームで送信される。これらのフレームは、例えばどのＯＮＵがいつ送信するかを許可されるかを明示する管理データを含むことができる。
【０１９３】
受信機中のタイミング制御モジュールは、システムマスタークロックを提供し、位相変調器８２６、量子受信機８０７中のゲート制御された検出器８２９および８２８を駆動し、検出器８２９および８２８から光子検出結果を受け取ってもよい。マスタークロック信号は、タイミング制御モジュールから古典通信装置８０６へ送られ、次に古典通信装置８３０に送信される。マスタークロックの送信は古典チャネルを光学的に使用して実現される。
【０１９４】
マスタークロックは、量子受信機８０７中の複数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、複数の単一光子検出器に基づく自己差分型ＩｎＧａＡｓの複数のＡＰＤについては、マスタークロックを１ＧＨｚ以上で操作することができる。一実施形態では、少なくとも送信されたクロック信号は、周波数の下限にある。例えば、送信されたクロック信号は、２５０ＭＨｚ、２５ＭＨｚあるいは１０ＭＨｚでもよい。
【０１９５】
マスタークロックは、複数の送信機からの量子信号のうちのどれとも異なる波長で送信されてもよい。
【０１９６】
送信機ユニット８０１−１から８０１−Ｎはそれぞれ古典通信装置８３０および量子送信機８３１を備える。古典通信装置８３０は古典通信装置８０６からマスタークロック信号を受信する。マスタークロック信号は源８１０を駆動するために使用される。送信機ユニット８０１−１中の制御ユニットは、マスタークロック信号からトリガー信号を生成する。トリガー信号は源８１０を駆動するために使用される。制御ユニットは、さらに位相変調器８１６を制御するためにマスタークロック信号を使用してもよい。
【０１９７】
制御電子回路からの各トリガー信号中に、ソース８１０は１つの光パルスを出力する。強度変調器は、パルスごとの基底で各パルスの強度を変調してもよい。これとは別に直接変調は、光子源８１０に適用された複数の駆動信号の振幅を変えることにより実現することができる。
【０１９８】
その後、信号パルスはマッハツェンダー干渉計８１１に供給される。マッハツェンダー干渉計８１１の２つのアーム間の距離差は、ｔｄｅｌａｙの光伝搬遅延に対応する。長いアーム８１４を通じて移動する光子は、干渉計８１１の出口でｔｄｅｌａｙの時間によって短いアーム８１３を通じて移動する光子より遅れる。
【０１９９】
光パルスが存在する場合に位相変調が適用されるように、制御ユニットからのトリガー信号もまた位相変調器８１６のタイミングを制御するために使用されてもよい。
【０２００】
その後、量子光パルスは、ファイバー８０２−１に沿ってかつスプリッティングユニット８０３を通ってかつ空間チャネル８０４−２に沿って、受信機８０７に送信される。量子受信機８０７はスプリッティングユニット８０３から送信された量子信号を受信する。信号パルスは干渉計８２１に供給される。偏光ビームスプリッター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もまた、マスタークロックを使用して、光子の到着時刻に同期してもよい。
【０２０１】
偏光成分の使用により、理想的な場合には、符号化干渉計８１１の入り口から復号干渉計８２１の出口まで移動する単一パルスにとっては２つのルートだけがある：
ｉ．長いアーム８１４−短いアーム８２４（Ｌ−Ｓ）および
ｉｉ．短いアーム８１３−長いアーム８２３（Ｓ−Ｌ）。
【０２０２】
最初の配置では、可変遅延線は複数の干渉計の１つに含まれてもよく、かつルート（ｉ）とルート（ｉｉ）でも伝搬時間を、数ピコ秒である可能性がある信号レーザコヒーレンス時間内で、ほぼ等しくするように調整されてもよい。
【０２０３】
干渉を経験する複数の光子（すなわち、ある干渉計の短いアームと他の干渉計の長いアームとを通って移動する複数の光子）の到着の間複数の検出器がゲート制御されるように、マスタークロック信号も複数の検出器を制御するために使用されてもよい。
【０２０４】
理想的でない偏光により、いくつかの光子は両方の短いアームあるいは両方の長いアームのいずれかを移動し、これにより、干渉光子それぞれで±ｔｄｅｌａｙの時間遅延で検出器８２８および８２９に到着する。これらの非干渉光子は、鍵レート（key rate）の鍵生成に貢献することはない。従って、これらの光子の検出結果は破棄されるべきである。
【０２０５】
干渉光子の汚染を回避するために、適切なｔｄｅｌａｙは（１）ｔｄｅｌａｙが検出器時間解像度よりも長く、かつ（２）ｔｄｅｌａｙが受信機のシステムロック周期よりも短いことを保証するように選んでもよい。ある実施形態では、ｔｄｅｌａｙはシステムクロック周期の半分である。例えば、１ＧＨｚの受信機にとってｔｄｅｌａｙは５００ピコ秒である。 
量子通信中に、多くの物理パラメータは、非対称マッハツェンダー干渉計間でのアーム長整合（arm length matching）、光子偏光、および光子到着時間を含んで、能動的に安定化されてもよい。能動的な安定は、フィードバック信号を生成するように構成される量子受信機でのフィードバック制御ユニットによって実現することができる。このフィードバック信号はその後、古典通信装置８０６によって古典通信装置８３０へ送信される。送信機ユニット８０１−１での制御ユニットはその後、フィードバック信号に基づいて、量子送信機の１つのコンポーネントまたは複数のコンポーネントを制御する。
【０２０６】
アーム長整合は、受信機から古典チャネルを通っ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での同調可能な位相遅延を能動的に調整することを通して実現することができる。ある実施形態では、フィードバック信号は量子ビットエラー率（QBER）である。これは同調可能な位相遅延を調整することによって最小化することができる。言いかえれば、量子送信機中の制御ユニットは、ＱＢＥＲフィードバック信号が受信されるごとに、ＱＢＥＲを最小化するために、ＭＺＩでの同調可能な位相遅延を調整する。
【０２０７】
ＱＢＥＲは、各誤り訂正処理の後にだけ送信機に送るのに利用可能である。ＱＢＥＲの決定における待ち時間は、アーム長のゆっくりとした変化だけの補償を可能にする。
【０２０８】
別の実施形態では、信号／おとり（decoy）パルスのごく僅かを代わりにする送信機から量子チャネルを通って強い参照パルスを送ることによって、より早い補償を達成することが可能である。これらの参照パルスは位相で変調されない。したがって、参照パルスの干渉の程度は、アーム長整合のステータスを示す。参照パルスの検出結果は、同調可能な位相遅延を調節するためにフィードバック信号として使用される古典チャネルを通して、送信機に送信することができる。
【０２０９】
同調可能な位相遅延は制御エレメントとして働く。それは圧電アクチュエーターによって駆動されるファイバーストレッチャーでもよい。
【０２１０】
それとは別に、２つの遅延は２つの干渉計中のファイバーの長さを注意深く制御することによりバランスを取ることができる。２つの光学経路の長さの微調整は送信機中の位相変調器でのＤＣバイアスを調整するか、または位相変調器に適用された駆動信号にＡＣオフセットを加えることによって達成することができる。
【０２１１】
これとは別に、アーム長整合は、受信機でのコンポーネント（例えば同調可能な位相遅延または位相変調器）の調整によって実現することができる。到来パルスそれぞれの素性に従って異なる調整を適用しなければならない。
【０２１２】
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させることができる。理想的には、エンコーダとデコーダを通り抜ける全ての光子は、ビームスプリッター８２７で干渉を経験し、鍵形成に寄与する。しかしながら、分配ファイバー８０２−１および空間チャネル８０４−２での偏光ドリフトは、２つの干渉計の両方の長いアームあるいは短いアームのいずれかを通り抜ける光子のように、光子を非干渉な経路まで届けられる。これらの非干渉光子は、鍵情報に寄与しない。それらは、ゲート制御された光子検出器の場合に自動的に拒絶されるか、あるいは、自由稼働の単一光子検出器を有する検出器サブシステムでのタイミング識別ウィンドウを使用して拒否されることが可能である。どちらの場合でも、偏光ドリフトは干渉する光子の光子計数率を減少させる。偏光コントローラを調整してこの計数率を最適化することによって、このドリフトを補正することができる。言い換えれば、計数率は古典通信装置８１１から古典通信装置８０２へ送信される。送信機ユニット８０１−１中の制御ユニットはその後、計数率を最大化するために偏光コントローラ８１８を調整する。
【０２１３】
一実施形態では、検出器８２９および８２８での光子到着時刻は、光子検出結果に基づいて光子源８１０のトリガー時間を調整することによって能動的に安定させられる。言いかえれば、計数率およびＱＢＥＲのような光子検出結果は、古典通信装置８１１から古典通信装置８０２に送信される。その後、送信機ユニット中の制御ユニットは、光子検出結果を最適化するために、光子源８１０のトリガー時間を調節する。
【０２１４】
図９は、古典データ信号を暗号化するために量子鍵をどのように使用することができるかを示すフロー図である。
【０２１５】
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、連続的に送信されてもよい。
【０２１６】
原則として、どんなＯＮＵも任意のダウンストリームデータも拾い上げることができる。それは、ダウンストリームデータの安易な盗聴を考慮に入れている。したがって、ダウンストリームデータは暗号化されてもよい。複数の量子鍵はダウンストリームデータを暗号化するために使用される。
【０２１７】
ステップＳ９０１では、ＱＫＤシステムは駆動される。
【０２１８】
ステップＳ９０２では、量子リンクは、古典チャネル上の量子送信機と量子受信機との間で認証を行なうことによって駆動される。
【０２１９】
一実施形態では、ＱＫＤリンクの認証を行なうために、暗号鍵は各ＯＮＵおよびＯＬＴにあらかじめ格納される。ＯＮＵはそれぞれ異なる鍵を持ち、一方、ＯＬＴは全ての鍵を持つ。これらの鍵は各ＱＫＤリンクを安全に独立して開始するために使用される（ＯＮＵ１がＯＮＵ２のために暗号化されたデータなどを暗号化することができないように）。ＯＬＴは全ての鍵を知っており、したがって、データをすべて解読することができる。
【０２２０】
これとは別に、ＲＳＡのような公開鍵暗号化方法を使用することができる。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ためにかかる時間が、ＱＫＤリンクを確立し第１安全鍵（secure key）を交換するためにかかる時間よりも長い場合に、ＲＳＡは使用される。一旦複数の第１鍵が交換されると、これらの鍵は認証に使用され、攻撃者が後で第１データを解読しても、ＱＫＤリンクは安全になる。
【０２２１】
あるいはその代わりに、信頼されている配達人は、初期秘密鍵を確立するために使用される。事前に格納された鍵を有する代わりに、ＱＫＤリンクを始動するために人がアリスからボブへ鍵を物理的に輸送する。
【０２２２】
認証は古典チャネル上で行なわれる。認証によって、誰か他の人とではなく互いにコミュニケーションを取り合っているとアリスとボブは確信することができる。これは、アリスかボブのいずれかにイブが扮しこれによってＱＫＤを不安定にすることを妨げる。第１スタートアップでは、ＱＫＤリンクが十分な量の鍵を生成するまで、事前に格納された鍵は認証に使用されてもよい。例えば、アリスとボブの装置のメーカーは、初期認証に使用されるある長さの鍵を両方の装置に格納してもよい。アリスおよびボブだけがこの秘密鍵を知っているので、彼らが互いにコミュニケーションを取り合っていることを確認するために彼らは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り行なわれてもよい。
【０２２３】
認証は、交換されるデータパケットごとに行なうことができる。言いかえれば、認証は、生成された安全鍵のごく僅かを使用して連続的に行なうことができる。
【０２２４】
認証が成功すると、ステップＳ９０３では、受信機と送信機は量子チャネルをセットアップする自動スタートアップ手順を行なう。量子チャネルをセットアップするために、量子受信機および量子送信機は時間について整合（align）される必要がある。また、位相と偏光を正確に設定しなければならない。これは古典チャネル上でのコミュニケーションによって達成される。ボブとアリスがこの情報を暗号化したければ、上に議論されるように、それもまた事前に格納された鍵を使用して暗号化されてもよい。
【０２２５】
アラインメントが達成された後、ＱＫＤは任意の古典通信と平行して連続的に実行される。ステップＳ９０４（安全鍵送信）ステップＳ９０５（古典データおよび送信の暗号化）ステップＳ９０７（古典データの暗号解読）、およびステップＳ９０６（ＱＫＤ制御送信、つまり、フィードバック制御、同期、安全鍵精査、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、平行して連続的に実行される。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。アリスまたはボブのいずれかがあるデータを送りたければ、彼らは鍵のうちのいくらかをとり、ステップＳ９０５でのデータを暗号化し送信し、そして、ステップＳ９０７で同じ鍵を使用してそれを解読する。
【０２２６】
ステップＳ９０４（安全鍵送信）は、鍵を形成するために量子送信機から量子受信機へ送られている複数の量子信号に相当する。鍵は上に記述されたＢＢ８４プロトコル、あるいは別のプロトコルを使用して形成されてもよい。 
Ｓ９０４で生成された暗号鍵はＳ９０５での古典データを暗号化するために使用される。暗号鍵もステップＳ９０６での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。
【０２２７】
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で暗号化される。暗号鍵が後に再使用されず、秘密のままである場合、暗号化は無条件に安全で、かつ盗聴者によって解読されることがない。別の実施形態では、データの長さより短い暗号鍵が使用される。暗号化はエーイーエス（ＡＥＳ：advanced encryption standard）に基づくでもよい。
【０２２８】
個々の秘密鍵は、ＯＬＴと、上述したＢＢ８４のようなＱＫＤプロトコルを使用したその接続した複数のＯＮＵのそれぞれとの間で形成されることが可能である。ＯＮＵごとに形成された鍵のそれぞれは、他のＯＮＵと比べ１つしか存在しなく秘密である。
【０２２９】
これらの鍵は、ＯＮＵとＯＬＴとの間で送られた古典データの認証および暗号化のような後続する暗号タスクに使用することができる。
【０２３０】
ＱＫＤリンクが使用可能の場合、さらなる鍵は要求に応じてユーザごとに生成される。これらの鍵は、複数のＱＫＤシステム自体、および暗号化されて送られる必要のあるあらゆるデータの動作に使用される。これは盗聴しにくいアップストリームデータを含むことができる。一実施形態では、重要なデータ（例えば、電子メール通信）だけが暗号化され、一方ウェブサイト情報やビデオのような他の通信は暗号化されない。
【０２３１】
古典データはステップＳ９０５でのネットワーク上で送信される。これは、複数のＯＮＵからＯＬＴ、および（または）ＯＬＴから複数のＯＮＵまで送られている複数の古典信号に相当する。
【０２３２】
その後、古典データはステップＳ９０７で解読される。
【０２３３】
古典データの暗号化および暗号解読は平行して実行することができる。受信者は１つのメッセージを解読しているが、同時に送信者は次のメッセージを暗号化することができる。安全鍵もまた解読のために使用される。
【０２３４】
図１０（ａ）はギガビット対応パッシブ光ネットワークの概略図である。ギガビット対応パッシブ光ネットワークは、古典光アクセスネットワーク技術である。ネットワークノード（ＯＬＴ）はいくつかのユーザ（ＯＮＵ）と接続される。ギガビット対応パッシブ光ネットワークは、ギガビット送信速度で正常に機能する。複数のユーザに接続している信号分配装置はパッシブである（例えばパッシブ光スプリッター１０３など）。
【０２３５】
ＯＬＴは、フィーダーファイバーを介してパッシブ信号分配装置１０３に接続される。フィーダーファイバーもトランクファイバー（trunk fibre）と呼ばれてもよい。それはＯＬＴとパッシブスプリッターとの間のファイバーリンクである。全ファイバーネットワークも光分配ネットワーク（ＯＤＮ）と呼ばれてもよい。複数のＯＮＵとスプリッターとの間のファイバーは分配ファイバーと呼ばれる。
【０２３６】
そのようなネットワークをどのように実装することができるか明示する（それらの物理的実装で全く類似する）２つの基準は、ＧＰＯＮとＥＰＯＮである。ＧＰＯＮ(Gigabit passive optical network；ギガビットパッシブ光ネットワーク)は２．５ギガビット／秒のダウンストリーム容量かつ１．２５ギガビット／秒のアップストリーム容量を有する。それは標準規格Ｇ．９８４での国際電気通信連合（ＩＴＵ；International Telecommunications Union）によって定義される。１０ギガビット／秒のダウンストリーム容量かつ２．５ギガビット／秒のアップストリーム容量で機能する次世代標準規格もある（Ｇ．９８７）。ＥＰＯＮ（Ethernet（登録商標） passive optical network；イーサネット（登録商標）パッシブ光ネットワーク）はダウンストリームとアップストリームの両方で１ギガビット／秒の容量を有する。それは標準規格８０２．３での電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ；Institute of Electrical and Electronic Engineers）によって定義される。１０ギガビット／秒の容量を有する次世代標準規格もある（８０２．３）。これらの標準規格はそのようなネットワークがどのように実装されるのかの一例である。
【０２３７】
図１０（ｂ）は、２つの別個のフィーダーファイバー１０４−１および１０４−２がパッシブ光スプリッター１０３にＯＬＴ１０５を接続する、ネットワークの変形の概略図を示す。そのような変形は冗長さを生み出し、リンク失敗から保護する。２つの別個のフィーダーファイバー１０４−１および１０４−２は、２つの入力ポートがあるＯＬＴ１０５に接続されてもよい。リンク（ファイバーフィーダー）のうちの１つがダウンな場合、システムは第２ものに直ぐに切り替えることができる。この二重フィーダー配置は、２×Ｎのパッシブ光スプリッターで配置することができる。
【０２３８】
実施形態に従う量子通信システムは、この保護を実行するＧＰＯＮネットワークと互換性をもつ。第２フィーダーファイバーは量子通信チャネルとして使用することができる。
【０２３９】
量子通信システムでは、ラマンノイズは、ＯＬＴをスプリッティングユニットに接続するファイバー中の量子信号に比べて特に大きくてもよい。それはいくつかのエンドポイントユーザ（ＯＮＵ）に時ユンに接続される。量子および古典信号の別個の送信は、ラマン散乱からの量子チャネルの低雑音を意味する。
【０２４０】
図３、４あるいは５に関して記述されたようなスプリッティングユニットは、波長選択的ではない。これは、それがその波長に依存して光を反射または透過しないことを意味する。それは入力された光信号の波長に基づいて、入力された光信号を選択または分裂させない。全ての波の入力された信号は、スプリッティングユニットを通って同じように送信される。スプリッティングユニットは入力された信号をそれらの波長に依存せず処理する。これは、薄膜フィルタ、ファイバーブラッグ格子またはアレイ導波路回折格子のような波長分割多重に使用されるスプリッティングユニットと対比することができる。それらは、いくつかの光信号の多重化または逆多重化のためにある周波数の光をはねつける／反射する、または透過するように特に設計されている。
【０２４１】
古典データ信号から（例えば、別個のファイバー上で）切り離して量子信号の送信を許す光ネットワークは、波長依存である信号スプリッターまたは分配器を使用してもよい。それは例えば、ある波長の光をはねつける／反射する、または透過するように特に設計されている。
【０２４２】
実施形態に従う量子通信システムでは、波長に依存しない成分は、ＯＬＴと複数のＯＮＵとの間のスプリッティングユニットで使用される。例えば、図３、４あるいは５に関して記述されるようなスプリッティングユニットが使用されてもよい。波長独立であるパッシブ光スプリッターは、波長の広い範囲で広く使われることが可能であり、費用効率が高く、単純な光ネットワークを可能にする。ある実施形態では、このような装置において、信号分配は、量子および古典信号の任意の波長に関して正しく機能する。
【０２４３】
実施形態では、量子通信ネットワークは２００ｋｍまでの光ファイバーを持っていてもよい。１ｋｍ、１０ｋｍ、２０ｋｍを超えるファイバー長が使用されてもよい。
【０２４４】
ある実施形態が記述されるが、これらの実施形態はほんの一例として提示されていて、発明の範囲を限定する意図はない。実際、ここに記述される新しい方法および装置は、様々な他の形式で具体化されてもよく、さらに、ここで記述される方法および装置の形式で様々な省略、置換、変更は、発明の精神から逸脱することなくなされてもよい。添付する請求項とそれらの均等は、発明の範囲および精神内にあるように、変更のそのような形式をカバーするように意図される。
【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３（ｃ）】
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【図３（ｄ）】
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【図３（ｅ）】
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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５（ｃ）】
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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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【図１０（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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