(57)【要約】【課題】  BB84-“plug＆play”量子暗号方式を基本としながらも、早いパルス繰り返し速度を可能とする量子暗号通信装置を提供する。【解決手段】  従来の BB84-“plug＆play”の構成に、或る固定周波数ｆ１のＲＦ周波数信号で駆動される光位相変調器１２０をアリス１００に追加し、ボブ２００の２つの光子検出器２３０，２４０の前段に各々特定の周波数のみを透過するフィルタ２５０、２６０を追加する。周波数ｆ１により駆動される光位相変調器１２０は、光パルスが或る１つの向きに進行する際に、光パルス周波数ｆ０と周波数（ｆ０±ｆ１）の変調側帯波とを生成する。レイリー散乱光の周波数はｆ０であるため、フィルタ２５０、２６０の特定周波数を１つの変調側帯波の周波数（例えばｆ０＋ｆ１）とすることによって、レイリー散乱によるノイズなしに、変調側帯波を信号として検出することが可能になる。【選択図】    図１
2005268958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバ伝送路を介して接続した送信機と受信機間において送受信されるデータを暗号化し、復号化するための暗号鍵を供給する量子暗号通信装置であって、
前記受信機は、
光周波数ｆ０のパルス光を発生するレーザ光源と、
２×２の入出力端子を有して第１の端子に入力された前記レーザ光源からのパルス光を第３の端子及び第４の端子へ分岐して出力する光カップラと、
第１の光子検出器と、
前記光カップラの前記第１の端子からの出力光を前記第１の光子検出器に入力する手段と、
前記光カップラの第２の端子からの出力光を入力する第２の光子検出器と、
前記第１の光子検出器の直前に置かれて変調測帯波のいずれか一方の周波数光のみを透過する第１の光フィルタと、
前記第２の光子検出器の直前に置かれて前記変調測帯波のいずれか一方の周波数光のみを透過する第２の光フィルタと、
１×２の入出力端子を有して第１の端子に入力された横直線偏波光と第２の端子に入力された縦直線偏波光を第３の端子に合波して出力する偏波ビームスプリッタと、
前記光カップラの前記第３の端子と前記偏波ビームスプリッタの前記第１の端子とを接続する第１の光経路と、
前記光カップラの前記第３の端子に分岐された前記レーザ光源から発せられたパルス光が前記偏波ビームスプリッタの前記第１の端子に入力する際に横直線偏波状態であるように設定する手段と、
前記光カップラの前記第４の端子と前記偏波ビームスプリッタの前記第２の端子とを接続する第２の光経路と、
前記光カップラの前記第４の端子に分岐された前記レーザ光源から発せられたパルス光が前記偏波ビームスプリッタの前記第２の端子に入力する際に縦直線偏波状態であるように設定する手段と、
前記第２の光経路上に置かれた光位相変調器と、
前記第２の光経路上に挿入された遅延線と、
前記偏波ビームスプリッタの前記第３の端子と前記ファイバ伝送路とを接続する光経路とを有し、
前記送信機は、
入力された光の偏波状態をそれとは直交する偏波状態に変換して反射する反射部材と、
前記ファイバ伝送路と前記反射部材を接続する光経路と、
前記送信機の前記光経路上に配置されて変調測帯波を生成する周波数ｆ１で駆動される第１の光位相変調器と、
前記送信機の前記光経路上に配置された光減衰器と、
前記送信機の前記光経路上に配置された第２の光位相変調器とを有し、
前記送信機内の前記第２の光位相変調器は、前記受信機内の前記光カップラにより２分岐された前記レーザ光源からのパルス光のうちの一方に対して、０またはπ／２、またはπ、または３π／２の位相変調を加え、
前記受信機内の前記光位相変調器は、前記受信機内の前記光カップラにより２分岐された前記レーザ光源からのパルス光のうちの他方に対して、０またはπ／２の位相変調を加えることを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項２】
前記反射部材はファラデー反射器であることを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号通信装置に関し、特に量子暗号通信プロトコルBB84を実装した BB84-“plug＆play”（量子暗号通信装置）が有する暗号鍵生成速度が遅いという問題を解決する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子暗号通信装置は、量子力学の基本原理に基づき、絶対に安全な暗号通信を提供する装置である。従来から、暗号通信の中では、送信側と受信側が共通の暗号鍵を所有し、これを用いて送信データを送信側で暗号化し、受信側で復号化する暗号方式がある。この暗号方式は暗号鍵が外部に知られていない限り絶対に安全な暗号システムとして知られているが、暗号鍵を外部に知られることなく送受信者に供給することが重要となる。
【０００３】
量子暗号通信は、盗聴されていないことが量子力学の原理に基づいて保証された暗号鍵を送受信者に供給するシステムである。量子暗号通信としては、いくつかの暗号方式が知られている。本発明は量子暗号通信プロトコルBB84を実装した BB84-“plug＆play”（量子暗号通信装置）と呼ばれている暗号方式（非特許文献１）を改良した暗号方式を用いるので、従来技術としてこの暗号方式について説明する。
【０００４】
ここで、BB84は、基本構成・原理についての量子暗号通信プロトコルの名称であり、“plug＆play”はそのプロトコルを安定に動作させるための実施態様の量子暗号通信装置についての名称である。まず、基本構成・原理である BB84について説明し、その後に“plug＆play”構成について説明する。
【０００５】
図２はBB84量子暗号方式の基本構成を示す図である。暗号鍵を共有する送受信機を、慣例に従ってアリス（送信機）１０００とボブ（受信機）２０００と呼ぶ。アリス１０００は、１個の光子を、縦直線、横直線、右回り円、左回り円、の４つのうちのいずれかの偏波状態としてボブ２０００へ送信する。
【０００６】
ボブ２０００の側には２系統の光子測定系２２００，２３００が備えられている。そのひとつは、直線偏波状態を測定する系２２００である。直線偏波測定系２２００に入力された光子は、２つの出力端に光子検出器２２４０、２２６０がそれぞれ備えられた偏波ビームスプリッタ２２２０に入力される。その入力光子が、縦直線偏波状態であれば第１の光子検出器２２４０が、横直線偏波状態であれば第２の光子検出器２２６０が、それぞれ光子を検出する。
【０００７】
上記光子測定系のもうひとつは、円偏波状態を測定する系２３００である。円偏波測定系２３００に入力された光子は、λ／４波長板２３１０を通過した後に、２つの出力端に光子検出器２３２０、２３６０がそれぞれ備えられた偏波ビームスプリッタ２３４０に入力される。その入力光子が、右回り円偏波状態であれば第１の光子検出器２３２０が、左回り円偏波状態であれば第２の光子検出器２３６０が、それぞれ光子を検出する。そして、２系統の測定系の前段には光スイッチ２１００が備えられ、伝送されてきた光子を無作為にスイッチして直線偏波測定系２２００か円偏波測定系２３００に入力する。
【０００８】
直線偏波測定系２２００に直線偏波光子が入力された場合は、ボブ２０００は入力された光子が縦偏波であるか横偏波であるかを１００％の確率で正しく判別することができる。しかしながら、直線偏波測定系２２００に円偏波光子が入力されると、ボブ２０００は１／２の確率で光子検出器２２４０または光子検出器２２６０が光子を検出する。すなわち、ボブ２０００は直線偏波測定系２２００によっては入力光子が右回り円であるか左回り円であるかを判別することはできない。
【０００９】
同様にして、円偏波測定系２３００に円偏波光子が入力されると、ボブ２０００は入力光子が右回り円であるか左回り円であるかは１００％の確率で正しく判別できるが、円偏波測定系２３００に直線偏波光子が入力された場合、その偏波状態を判別することはできない。
【００１０】
以上の系を用いて、以下の手順でアリス１０００とボブ２０００は暗号鍵を生成する。まず、伝送路３０００を通じて、必要な回数だけ光子を送受信した後、アリス１０００は各光子について、直線偏波で送ったか、円偏波で送ったか、をボブ２０００に知らせる。ただし、アリス１０００はその偏波状態が、縦か横か、右回りか左回りか、はボブ２０００に知らせない。一方、ボブ２０００は、各光子について、直線偏波測定系２２００にスイッチしたか、円偏波測定系２３００にスイッチしたか、をアリス１０００に知らせる。各光子の送信状態と測定系が一致していれば、ボブ２０００は送られた光子の偏波状態を正しく判別することができる。そこで、例えば、縦直線及び右回り円をビット「１」、横直線及び左回り円をビット「０」とすれば、アリス１０００とボブ２０００は共通のビット情報を得ることになる。
【００１１】
ここで、アリス１０００とボブ２０００との間でやり取りされるのは、直線偏波か円偏波かという情報だけで、その偏波が縦か横か、右回りか左回りか、の情報は外の伝送路３０００に出ないので、取得したビット情報が外部に漏れることはない。そこで、このようにして得られたビット情報を暗号鍵として採用する。
【００１２】
一方、アリス１０００が送った偏波状態（直線か円か）とボブ２０００がスイッチした測定系が不一致の場合には、ボブ２０００は送られてきた光子の偏波状態を判別することができない。この場合には、その光子検出事象は無視する。
【００１３】
以上が、BB84量子暗号方式の基本構成及びその動作原理である。この方式の課題は、光ファイバ伝送には不向きというところにある。一般に、光ファイバには外部からの応力や曲げにより微小ながら複屈折性が存在する。そのため、光の偏波状態はファイバ伝搬につれて変化する。さらに、これら外部の影響は時間的に変動するので、偏波の変化の仕方も時間的に変動する。上記BB84方式は光子の偏波状態により情報を伝えているので、システムを動作させるためには、偏波変動を補償する偏波制御手段が必要となる。
【００１４】
この偏波変動を補償するという課題を解決するために開発されたのが、“plug＆play”と呼ばれる実施装置である。図３に“plug＆play”装置の構成を示す。ボブ２００の側にはレーザ光源２１０が備えられており、このレーザ光源２１０から発せられたパルス光は光サーキュレータ２１５を通り、２×２の光カップラ２２０により光経路２７４、２７６に２分岐される。経路２７４へ出力された光パルス（以下、パルス光Ｓと呼ぶ）は、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２７０を経てファイバ伝送路３００へと出力される。このとき、偏波ビームスプリッタ２７０の前段に置かれた偏波制御器（ＰＣ）２８０により、偏波ビームスプリッタ２７０への入力偏波状態は横直線偏波に設定されており、入力パルス光Ｓは横直線偏波光として損失なくファイバ伝送路３００へ出力される。
【００１５】
ボブ２００から送出されたパルス光Ｓは、ファイバ伝送路３００を経てアリス１００に到達する。アリス１００に入力したパルス光Ｓは光減衰器（ＡＴＴ）１３０、光位相変調器（ＰＭ）１４０を透過し、ファラデー反射器（ＦＭ）１１０で反射された後、再び光位相変調器１４０、光減衰器１３０を通ってファイバ伝送路３００へ折り返し出力される。ここで、光減衰器１３０は、光パルスが折り返し出力される際に、その光パルスの光パワーが１パルスあたり平均１光子未満であるように調整するように設定されている。また、光位相変調器１４０は、入力したパルス光Ｓの位相を０、またはπ／２、またはπ、または３π／２で無作為に変調する。また、ファラデー反射器１１０は、入力された光の偏波状態をそれとは直交する状態に変換して反射するように作用する。このようにしてアリス１００から出力されたパルス光Ｓは、往路と同じファイバ伝送路３００を伝搬してボブ２００に到達する。
【００１６】
ファイバ伝送路３００からボブ２００の偏波ビームスプリッタ２７０に入力されたパルス光Ｓは、自動的に偏波ビームスプリッタ２７０の反射ポート、すなわち光経路２７６に出力される。これは、アリス１００において、ファラデー反射器１１０により偏波が直交状態に変換されているためである。
【００１７】
ファイバ経路３００では、光の偏波状態は伝搬につれて変化していくが、直交関係は保たれる。例えば、縦直線偏波光と横直線偏波光をファイバ経路３００に入力すると、そのファイバ経路３００の出力端では一般には楕円偏波となるが、両者は直交した楕円偏波となっている。また、ファイバ経路３００は偏波変化について可逆である。したがって、ボブ２００から横直線偏波としてファイバ伝送路３００に入力された光パルスＳが、アリス１００側で直交偏波に変換されて同じファイバ伝送路３００を逆向きに辿って来ると、ボブ３００に到達した際には縦直線偏波となっている。このため、アリス１００から戻ってきた光パルスＳは、偏波ビームスプリッタ２７０から光経路２７６へ出力される。光経路２７６へ出力されたパルス光Ｌは偏波制御器（ＰＣ）２８５、遅延ファイバ２９５、光位相変調器（ＰＭ）２９０を経て、光カップラ２２０へ入力される。このとき、光位相変調器２９０は、パルス光Ｓに対しては無変調であるとする。
【００１８】
一方、ボブ２００において、レーザ光源２１０から発せられ、光カップラ２００により光経路２７６へ分岐されたパルス光（以下、パルス光Ｌと呼ぶ）は、パルス光Ｓと逆の経路を辿る。すなわち、光経路２７６へ出力されたパルス光Ｌは、光位相変調器２９０、遅延ファイバ２９５、偏波制御器２８５を経て、偏波ビームスプリッタ２７０へ入力される。このとき、光位相変調器２９０は、パルス光Ｌに対して、無作為に０またはπ／２の位相変調を加える。前述のように、この光位相変調器２９０は、パルス光Ｓに対しては無変調としているが、パルス光Ｓとパルス光Ｌは異なる時刻に光位相変調器２９０を透過するので、このような変調状態とすることは可能である。また、偏波制御器２８５は、偏波ビームスプリッタ２７０への入力状態が縦直線偏波であるように設定されている。これにより、パルス光Ｌは損失なく、縦直線偏波光としてファイバ伝送路３００へ出力される。
【００１９】
ファイバ伝送路３００を伝搬したパルス光Ｌはアリス１００に到達し、光減衰器１３０、光位相変調器１４０、ファラデー反射器１１０を経て、再び同じ経路を辿ってボブ２００に戻ってくる。このとき、光位相変調器１４０は、パルス光Ｌに対して無変調であるとする。前述のように、この光位相変調器１４０は、パルス光Ｓに対して０またはπ／２または３π／２で位相変調を加えるものとしているが、パルス光Ｓとパルス光Ｌは異なる時刻に光位相変調器１４０を透過するので、このような変調状態とすることは可能である。
【００２０】
ファイバ伝送路３００を経てボブ２００に戻ってきたパルス光Ｌは、偏波ビームスプリッタ２７０に入力される。このとき、アリス１００のファラデー反射器１１０において偏波が直交状態に変換されているので、パルス光Ｓについて述べたのと同じ理由により、偏波ビームスプリッタ２７０に入力されたパルス光Ｌは横直線偏波として光経路２７４へ出力され、光カップラ２２０へ到達する。
【００２１】
以上述べたようにして、ファイバ伝送路３００を往復したパルス光Ｌとパルス光Ｓはボブ２００の光カップラ２２０の２つのポートにそれぞれ入力される。これら２つのパルス光Ｌ，Ｓは同一経路を逆向きに伝搬してきているので、カップラ２２０へは同時刻に到達する。また、偏波についてみると、光経路２７４と光経路２７６は、最初に光カップラ２２０により分岐された同一偏波光が偏波ビームスプリッタ２７０に達する際に、経路２７４からの光は横直線、経路２７６からの光は縦直線となるように設定されており、さらにこの偏波変化は可逆なので、偏波ビームスプリッタ２７０からカップラ２２０へ戻ってきたパルス光Ｌとパルス光Ｓは同一偏波となっている。そのため、カップラ２２０においてパルス光ＬとＳの両者の干渉が起こり、その位相差に応じて第１の光子検出器２３０または第２の光子検出器２４０へと光が出力される。
【００２２】
ファイバ伝送路３００を往復して光カップラ２２０に到達したパルス光ＬとＳは、基本的には同一経路を逆向きに辿っているので、経験した伝搬位相は同じである。ただし、光位相変調器１４０、光位相変調器２９０において、パルス光ＬとＳの両者は異なる位相変調を受けている。一方のパルス光Ｓは、光位相変調器１４０において０、またはπ／２、またはπ、または３π／２の位置変調を受け、光位相変調器２９０においては無変調である。他方のパルス光Ｌは、光位相変調器１４０においては無変調、光位相変調器２９０において０、またはπ／２の位相変調を受けている。したがってパルス光ＬとＳの両者の位相差は、π／２、または０、またはπ／２、またはπ、または３π／２となる。それぞれの変調状態に対しての位相差を下記の表１にまとめておく。
【００２３】
【表１】
2005268958.tif 000003
【００２４】
パルス光ＬとＳの位相差が０であると、干渉光は必ず第１の光子検出器２３０へ出力される。位相差がπであると、干渉光は必ず第２の光子検出器２４０へ出力される。一方、位相差がπ／２またはπ／２または３π／２であると、半々の確率で第１の光子検出器２３０または第１の光子検出器２３０へ出力されることになる。したがって、上記の表１の網掛けをつけた場合の光子検出事象は不確定である一方、網掛けをつけていない場合の光子検出事象は確定的である。
【００２５】
従来技術として説明した以上の実施態様を用いると、以下に述べるように実効的にBB84量子暗号方式と等価な動作を行うことができる。まず、ボブ２００とアリス１００は必要な数だけパルス光を送受信する。
【００２６】
その後、アリス１００は、光位相変調器１４０によりパルス光Ｓを（ｉ）０またはπで変調したか、（ii) π／２または３π／２で変調したか、をボブ２００に知らせる。ただし、０であるかπであるか、π／２であるか３π／２であるか、は知らせない。一方ボブ２００は、光位相変調器２９０によりパルス光Ｌを０で変調したか、π／２で変調したかを知らせる。アリス１００の変調がケース（ｉ）かつボブ２００の変調が０、またはアリス１００の変調がケース（ii）かつボブ２００の変調がπ／２、である場合には、アリス１００はボブ２００の光子検出器２３０，２４０のどちらが光子を検出したかを知ることができる。
【００２７】
したがって、例えば、第１の光子検出器２３０による検出事象をビット「０」、第２の光子検出器２４０による検出事象をビット「１」、とすれば、アリス１００とボブ２００は共通のビット情報を得ることになる。一方、その他の場合には、光子検出事象は不確定であり、ボブ２００のどの光子検出器２３０，２４０が光子を検出したかをアリス１００は知ることができない。よって、この場合の検出事象は無視する。
【００２８】
以上の手順において、どの光子検出器２３０，２４０が光子を検出したかという情報は外部には現われない。したがって、得られたビット情報を暗号鍵として使用することができる。
【００２９】
この実施態様は、アリス１００側に備えられたファラデー反射器１１０の効果により、２つのパルス光が自動的に同じ経路を逆向きに伝搬し、自動的に所定の干渉状態となるように構成されている。このため、元の BB84 方式で要求された偏波制御の必要がなく、安定な動作が可能である。
【００３０】
【非特許文献１】G. Ribordy, J-D, Gautier, N. Gisin, O. Guinnard and H. Zbinden, “Automated,‘plug＆play’quantum key distribution,”Electronics Letters  29th October 1998, Vol. 34, No. 22, PP. 2116-2117
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
上述した従来の BB84-“plug＆play”方式においては、ファイバ伝送路３００中でのレイリー散乱がシステムの高速化を妨げる要因となる。ここでいうレイリー散乱は、ガラス媒質の密度揺らぎにより、伝搬光の一部が後方に散乱される現象である。この現象のため、ボブ２００からアリス１００へ発せられたパルス光の一部が、ファイバ伝送路３００内で後方散乱されてボブ２００の光子検出器２３０，２４０に戻ってくる。この後方散乱による反射光は雑音として作用し、システムの誤動作を引き起こす。
【００３２】
この誤動作を避けるためには、所望の信号光子とレイリー反射光子が異なる時刻に光子検出器２３０，２４０に到達するように構成し、光子検出器２３０，２４０を所望の信号光子が来た時刻だけ動作させる。具体的には、ボブ２００はひとつのパルス光を送出後、そのパルス光が戻ってくるまで待機し、パルス光が戻ってきたら次のパルス光を送出するようにする。そのように構成すれば、待機時間内にレイリー反射光子が入力された後に、信号光子が入力されるので、両者を区別することができる。反射光子と信号光子の到達時刻の間隔をとるために、必要に応じて、アリス１００内に遅延線を挿入してもよい。
【００３３】
しかし、このようなレイリー散乱の影響を避ける手法を採用すると、ボブ２００が送出するパルス光の繰り返し速度が制限される。すなわち、ボブ２００は一旦送り出したパルス光が戻ってきてから次のパルス光を送出するので、パルス間隔を往復の伝搬時間よりも短くすることができない。このため、暗号鍵の生成速度を早くすることが困難となる。
【００３４】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、その目的は、 BB84-“plug＆play”量子暗号方式を基本としながらも、早いパルス繰り返し速度を可能とする量子暗号通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
量子暗号通信プロトコルBB84を実装した BB84-“plug＆play”（量子暗号通信装置）が有する暗号鍵生成速度が遅いという問題は、暗号鍵送受信の物理的媒体である光パルスのパルス送信間隔の下限値が或る値により制約されるために生じる。その下限値は、光パルスがファイバ伝送される際に発生するレイリー散乱の影響（ノイズ）を回避するために十分なパルス送信間隔になる。
【００３６】
本発明は、図３で示した従来の BB84-“plug＆play”の構成に、Ａ）或る固定周波数ｆ１のＲＦ（無線周波数）信号で駆動される光位相変調器（図１の１２０）を通信経路に追加し、Ｂ）２つの光子検出器（図１の２３０，２４０）の前に各々特定の周波数のみを透過するフィルタ（図１の２５０、２６０）を追加する構成を特徴とする。この追加された周波数ｆ１のＲＦ信号により駆動される光位相変調器（１２０）は、光パルスが或る１つの向きに進行する際に、光パルス周波数ｆ０と周波数（ｆ０±ｆ１）の変調側帯波とを生成する。上記のレイリー散乱光の周波数はｆ０であるため、上記のフィルタ（２５０、２６０）の特定周波数を１つの変調側帯波の周波数（ｆ０＋ｆ１またはｆ０−ｆ１）とすることによって、光子検出器（２３０，２４０）は、レイリー散乱によるノイズ（光パルス周波数ｆ０）なしに、変調側帯波を信号として検出することが可能になる。
【発明の効果】
【００３７】
上記構成により、本発明によれば、レイリー散乱の影響により制約される光パルス送信間隔の下限値を取り払うことを可能にするため、短間隔パルス送信を可能とし、暗号鍵生成を高速に行うことを可能とし、それにより早いパルス繰り返し速度で動作する BB84-“plug＆play”量子暗号通信装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
図１に本発明の一実施形態のシステム構成を示す。通例アリスと呼ばれる送信側装置（以下、アリスと称する）１００と、通例ボブと呼ばれる受信側装置（以下、ボブと称する）２００との間をファイバ伝送路３００で接続している。
【００３９】
アリス１００は、ファラデー反射器１１０と、ファイバ伝送路３００とファラデー反射器１１０とを接続する経路１１５と、この経路１１５上に配置されて変調測帯波を生成する周波数ｆ１で駆動される第１の光位相変調器１２０と、経路１１５上に配置された光減衰器１３０と、経路１１５上に配置された第２の光位相変調器１４０とを有する。
【００４０】
ボブ２００は、レーザ光源２１０と、サーキュレータ２１５と、光カップラ２２０と、第１の光子検出器２３０と、第２の光子検出器２４０と、第１の光フィルタ２５０と、第２の光フィルタ２６０と、偏波ビームスプリッタ２７０と、光カップラ２２０の第３の端子と偏波ビームスプリッタ２７０の第１の端子とを接続する第１の光経路２７４と、光カップラ２２０の第４の端子と偏波ビームスプリッタ２７０の第２の端子とを接続する第２の光経路２７６と、第１の光経路２７４上に配置された第１の偏波制御器２８０と、第２の光経路２７６上に配置された第２の偏波制御器２８５および光位相変調器２９０と、第２の光経路２７６に挿入された遅延線２９５と、ファイバ伝送路３００と偏波ビームスプリッタ２７０の第３の端子とを接続する経路２９８とを有する。
【００４１】
レーザ光源２１０は光周波数ｆ０のパルス光を発生する。光カップラ２２０は２×２の入出力端子を有していて第１の端子に入力されたレーザ光源２１０からのパルス光を第３の端子及び第４の端子へ分岐して出力する。第１の光子検出器２３０は光カップラ２２０の第１の端子からの出力光を入力する。第２の光子検出器２４０は光カップラ２２０の第２の端子からの出力光を入力する。第１の光フィルタ２５０は第１の光子検出器２３０の直前に置かれていて変調測帯波（ｆ０±ｆ１）のいずれか一方の周波数（例えばｆ０＋ｆ１）の光のみを透過する。第２の光フィルタ２６０は第２の光子検出器２４０の直前に置かれていてその変調測帯波のいずれか一方の周波数（例えばｆ０＋ｆ１）の光のみを透過する。
【００４２】
偏波ビームスプリッタ２７０は１×２の入出力端子を有していて第１の端子に入力された横直線偏波光と第２の端子に入力された縦直線偏波光を第３の端子に合波して出力する。
【００４３】
第１の偏波制御器２８０は光カップラ２２０の第３の端子に分岐されたレーザ光源２１０から発せられたパルス光が、偏波ビームスプリッタ２７０の第１の端子に入力する際に、横直線偏波状態となるように設定される。第２の偏波制御器２８５は光カップラ２２０の第４の端子に分岐されたレーザ光源２１０から発せられたパルス光が偏波ビームスプリッタ２７０の第２の端子に入力する際に縦直線偏波状態となるように設定される。
【００４４】
アリス１００内の第２の光位相変調器１４０は、ボブ２００内の光カップラ２２０により２分岐されたレーザ光源２１０からのパルス光のうちの一方に対して、０またはπ／２、またはπ、または３π／２の位相変調を加える。ボブ２００内の光位相変調器２９０は、ボブ２００内の光カップラ２２０により２分岐されたレーザ光源２１０からのパルス光のうちの他方に対して、０またはπ／２の位相変調を加える。
【００４５】
図１に示すように、本発明の一実施形態では、図３の従来技術の構成に加えて、アリス１００内に光位相変調器１２０を備えており、かつボブ２００内の２つの光子検出器２３０，２４０の前段に光フィルタ２５０，２６０を備えている。
【００４６】
光位相変調器１２０は、固定の周波数ｆ１のＲＦ信号により駆動されている。このように駆動されている位相変調器１２０にキャリア周波数ｆ０の光が入力されると、ｆ０±ｆ１の周波数位置に変調側帯波が生じた光が位相変調器１２０から出力される。その変調側帯波は、元のキャリア周波数成分に対して定まった位相関係を有している。そして、パルス光はファラデー反射器１１０によって光位相変調器１２０を往復するが、通常、高速で動作する位相変調器１２０には方向性があり、ある方向へ伝搬する光に対して位相変調がかかる場合に、その逆方向へ伝搬する光に対しては無変調となる。したがって、ｆ１で駆動された光位相変調器１２０をパルス光が往復しても、二重に変調が加えられることはない。ボブ２００内の光フィルタ２５０，２６０は、この変調側帯波の一方のみ、例えばｆ０＋ｆ１のみを透過させ、他の成分（ｆ０、ｆ０−ｆ１）は阻止する。
【００４７】
このような構成にすると、レイリー散乱の影響を受けることなく、 BB84-“plug＆play”量子暗号方式を実施することができる。すなわち、ボブ２００は２分岐したパルス光を送出し、それらのパルス光がアリス１００を経て、再びボブ２００に戻り、ボブ２００内の光カップラ２２０で干渉して、その干渉に応じて光子検出器２３０、２４０に光子が入力されるのは、図３の従来技術と同様である。ただし、本実施形態においては、ボブ２００から送られてアリス１００に入力した信号パルス光は、アリス１００内でキャリア成分と変調側帯波成分に分かれ、ボブ２００内の光フィルタ２５０，２６０のフィルタリング作用によって、ボブ２００の光子検出器２３０、２４０にはいずれかひとつの変調側帯波成分の光子のみが入力される。
【００４８】
一方、レイリー散乱光は、信号パルス光がボブ２００からアリス１００へ向かう伝送路３００中で発生してボブ２００へ反射されてくるので、その光周波数は元の周波数ｆ０である。この周波数光は光フィルタ２５０，２６０で阻止されるので、光子検出器２３０，２４０にはレイリー散乱光は入力されず、従来技術のようにレイリー散乱光が雑音として作用することはない。したがって、本実施形態においては、ボブ２００はいったん送り出したパルス光が往復して戻ってくるのを待たずに、次のパルス光を送出することができる。すなわち、早いパルス繰り返し速度で BB84-“plug＆play”量子暗号方式を実施することができる。
【００４９】
（他の実施形態）
なお、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。例えば、上述した本発明の実施形態では、受信機内の偏波ビームスプリッタ２７０への偏波状態を正しく設定するために偏波制御器２８０，２８５を用いているが、受信機内の光経路を偏波保持ファイバとすることにより、偏波制御器なしで偏波を所定状態とすることは可能である。また、本発明の実施形態では、ファラデー反射器を用いているが、本発明はこれに限定されず、同様な機能を有する反射部材を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の量子暗号通信装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】ＢＢ８４量子暗号方式の基本構成を示す概念図である。
【図３】従来のBB84-“plug＆play” 量子暗号通信装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５１】
１００  アリス
１１０  ファラデー反射器
１１５  経路
１２０  第１の光位相変調器
１３０  光減衰器
１４０  第２の光位相変調器
２００  ボブ
２１０  レーザ光源
２１５  サーキュレータ
２２０  光カップラ
２３０  第１の光子検出器
２４０  第２の光子検出器
２５０  第１の光フィルタ
２６０  第２の光フィルタ
２７０  偏波ビームスプリッタ
２７４  第１の光経路
２７６  第２の光経路
２８０  第１の偏波制御器
２８５  第２の偏波制御器
２９０  光位相変調器
２９５  遅延線
２９８  経路
３００  ファイバ伝送路
１０００  アリス（送信機）
２０００  ボブ（受信機）
２１００  光スイッチ
２２００  直線偏波測定系
２２２０  偏波ビームスプリッタ
２２４０  第１の光子検出器
２２６０  第２の光子検出器
２３００  円偏波測定系
２３１０  λ／４波長板
２３２０  偏波ビームスプリッタ
２３４０  第１の光子検出器
２３６０  第２の光子検出器
３０００  伝送路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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