(57)【要約】【課題】  量子暗号通信における正確な信号検出を可能とした装置および方法を提供する。【解決手段】  量子暗号に基づく通信処理において、第１の通信端末から通信路上に時間差を持つ複数のパルス光を出力し、第２の通信端末において、受信パルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行し、減衰パルス光と非減衰パルス光とを第１の通信端末に返信し、第１の通信端末において、減衰パルス光と非減衰パルス光とを受信し、該減衰パルス光と非減衰パルス光に基づく干渉測定による通信情報の解析を実行する。さらに、各パルス光の通信端末間の往復経路を一致させて各パルス光に基づく干渉測定を実行する構成としたので正確な干渉測定、情報検出が可能となる。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信方法であり、
第１の通信端末から通信路上に時間差を持つ複数のパルス光を出力するパルス光出力ステップと、
第２の通信端末において、前記複数のパルス光を前記通信路を介して受信し、前記複数のパルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行し、減衰パルス光と非減衰パルス光とを前記第１の通信端末に返信するパルス光返信ステップと、
前記第１の通信端末において、前記第２の通信端末から減衰パルス光と非減衰パルス光とを受信し、該減衰パルス光と非減衰パルス光に基づく干渉測定による通信情報の解析を実行する情報解析ステップと、
を有することを特徴とする量子暗号通信方法。
【請求項２】
前記第１の通信端末は、前記パルス光出力ステップにおいて、通信路上に出力する時間差を持つ２つのパルス光の各々を前記第１の通信端末内の異なる経路を通過させた後、通信路に出力し、
前記情報解析ステップにおいては、前記第２の通信端末から受信する前記２つのパルス光に対応する減衰パルス光と非減衰パルス光とを、前記パルス光出力ステップにおいて各パルス光が通過した経路を相互に入れ替えて通過させて、各パルス光の通信端末間の往復経路を一致させて各パルス光に基づく干渉測定を実行することを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項３】
前記第２の通信端末におけるパルス光返信ステップは、
ファラデーミラーによるパルス光の反射処理を含むステップ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方法。
【請求項４】
前記第２の通信端末におけるパルス光返信ステップは、
前記第１の通信端末から受信する複数のパルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行して信号光を生成し、前記信号光と、非減衰パルス光としてのＬＯ光とを前記第１の通信端末に返信する処理を実行することを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項５】
前記第１の通信端末において実行する情報解析ステップは、
前記第２の通信端末からの減衰パルス光である信号光と非減衰パルス光としてのＬＯ光とに基づくホモダイン検出処理を実行するステップ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方法。
【請求項６】
前記第２の通信端末において実行するパルス光返信ステップは、
音響光学素子を適用した選択パルス光の減衰処理を実行するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項７】
前記第２の通信端末において実行するパルス光返信ステップは、
ＬｉＮｂＯ３位相変調器に基づく選択パルス光の位相変調処理を実行するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項８】
前記量子暗号通信方法において、さらに、
前記第１の通信端末は、パルス光の位相変調処理を実行するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項９】
前記パルス光の位相変調処理は、ＬｉＮｂＯ３位相変調器に基づくパルス光の位相変調処理であることを特徴とする請求項８に記載の量子暗号通信方法。
【請求項１０】
前記第２の通信端末において実行するパルス光返信ステップは、
前記通信路を介して受信するパルス光をビームスプリッタで分離し、減衰および変調処理を実行するパルスの到着タイミングを検出し、該検出情報に基づく制御により、前記複数のパルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項１１】
前記量子暗号通信方法は、さらに、
前記第１の通信端末において、前記通信路を介して受信する複数のパルス光をビームスプリッタで分離し、変調処理およびホモダイン検出処理を実行するパルスの到着タイミングを検出し、該検出情報に基づく制御により、前記複数のパルス光から選択されたパルス光のみの変調処理と、ホモダイン検出を実行するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項１２】
前記第１の通信端末、または前記第２の通信端末の少なくとも一方が複数の端末によって構成され、前記通信路に対する出力パルス光に対する波長分割多重処理を実行し、多重化光信号として端末間通信を実行することを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項１３】
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置であり、
通信路上に時間差を持つ複数のパルス光を出力する第１の通信端末と、
前記複数のパルス光を前記通信路を介して受信し、前記複数のパルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行し、減衰パルス光と非減衰パルス光とを前記第１の通信端末に返信する第２の通信端末とからなり、
前記第１の通信端末は、前記第２の通信端末から減衰パルス光と非減衰パルス光とを受信し、該減衰パルス光と非減衰パルス光に基づく干渉測定による通信情報の解析を実行する構成を有することを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項１４】
前記第１の通信端末は、前記パルス光の出力処理において、通信路上に出力する時間差を持つ２つのパルス光の各々を前記第１の通信端末内の異なる経路を通過させた後、通信路に出力する構成であり、
前記第２の通信端末から受信する前記２つのパルス光に対応する減衰パルス光と非減衰パルス光とを、前記パルス光の出力時に各パルス光が通過した経路を相互に入れ替えて通過させて、各パルス光の通信端末間の往復経路を一致させて各パルス光に基づく干渉測定を実行する構成であることを特徴とする請求項１３に記載の量子暗号通信装置。
【請求項１５】
前記第２の通信端末は、
ファラデーミラーによるパルス光の反射処理を実行する構成を有することを特徴とする請求項１３に記載の量子暗号通信装置。
【請求項１６】
前記第２の通信端末は、
前記第１の通信端末から受信する複数のパルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行して信号光を生成し、前記信号光と、非減衰パルス光としてのＬＯ光とを前記第１の通信端末に返信する処理を実行する構成であることを特徴とする請求項１３に記載の量子暗号通信装置。
【請求項１７】
前記第１の通信端末は、
前記第２の通信端末からの減衰パルス光である信号光と非減衰パルス光としてのＬＯ光とに基づくホモダイン検出処理を実行する構成であることを特徴とする請求項１３に記載の量子暗号通信装置。
【請求項１８】
前記第２の通信端末は、
音響光学素子を適用した選択パルス光の減衰処理を実行する構成を有することを特徴とする請求項１３に記載の量子暗号通信装置。
【請求項１９】
前記第２の通信端末は、
ＬｉＮｂＯ３位相変調器に基づく選択パルス光の位相変調処理を実行する構成を有することを特徴とする請求項１３に記載の量子暗号通信装置。
【請求項２０】
前記量子暗号通信装置において、さらに、
前記第１の通信端末は、パルス光の位相変調処理を実行する構成を有することを特徴とする請求項１３に記載の量子暗号通信装置。
【請求項２１】
前記パルス光の位相変調処理は、ＬｉＮｂＯ３位相変調器に基づくパルス光の位相変調処理として実行する構成であることを特徴とする請求項２０に記載の量子暗号通信装置。
【請求項２２】
前記第２の通信端末は、
前記通信路を介して受信するパルス光をビームスプリッタで分離し、減衰および変調処理を実行するパルスの到着タイミングを検出し、該検出情報に基づく制御により、前記複数のパルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行する構成を有することを特徴とする請求項１３に記載の量子暗号通信装置。
【請求項２３】
前記第１の通信端末は、
前記通信路を介して受信する複数のパルス光をビームスプリッタで分離し、変調処理およびホモダイン検出処理を実行するパルスの到着タイミングを検出し、該検出情報に基づく制御により、前記複数のパルス光から選択されたパルス光のみの変調処理と、ホモダイン検出を実行する構成を有することを特徴とする請求項１３に記載の量子暗号通信装置。
【請求項２４】
前記第１の通信端末、または前記第２の通信端末の少なくとも一方が複数の端末によって構成され、前記通信路に対する出力パルス光に対する波長分割多重処理を実行し、多重化光信号として端末間通信を実行する構成を有することを特徴とする請求項１３に記載の量子暗号通信装置。
【請求項２５】
前記第１の通信端末、または前記第２の通信端末の少なくとも一方は、偏光ビームスプリッタと、１／２波長板を構成要素とするビームスプリッタを有することを特徴とする請求項１３に記載の量子暗号通信装置。
【請求項２６】
前記第１の通信端末は、
偏光子、１／２波長板、偏光ビームスプリッタ、ファラデーローテータを構成要素とするサーキュレータを有することを特徴とする請求項１３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、量子暗号通信方法、および量子暗号通信装置に関する。さらに詳細には、量子暗号を用いた秘密情報の通信を実行する量子暗号通信方法、および量子暗号通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、ネットワーク通信、電子商取引の発展に伴い、通信におけるセキュリティ確保が重要な問題となっている。セキュリティ確保の１つの方法が暗号技術であり、様々な暗号化手法を用いた通信が行なわれている。
【０００３】
暗号化方式には、大別して共通鍵方式、公開鍵方式がある。共通鍵方式は、対称暗号方式ともよばれ、発信者、受信者の双方で共通の秘密鍵を保有する。共通鍵方式の代表的な方法として、ＤＥＳ（Data Encryption Standard）がある。ＤＥＳアルゴリズムの特徴は、暗号化と復号化とをほぼ同じアルゴリズムで実行可能なことである。
【０００４】
この共通鍵暗号に対して、発信者と受信者の鍵を異なるものとした構成が公開鍵方式または非対称暗号方式である。公開鍵暗号方式では、暗号化、復号化に共通の秘密鍵を用いる共通鍵暗号方式と異なり、秘密に保つ必要のある秘密鍵は、特定の１人が持てばよいため鍵の管理において有利である。ただし、公開鍵暗号方式は共通鍵暗号方式に比較してデータ処理速度が遅く、一般には、秘密鍵の配送、ディジタル署名等のデータ量の少ない対象に多く用いられている。公開鍵暗号方式の代表的なものにはＲＳＡ（Rivest-Shamir-Adleman）暗号がある。これは非常に大きな２つの素数（例えば１５０桁）の積を用いるものであり、大きな２つの素数（例えば１５０桁）の積の素因数分解する処理の困難さを利用している。
【０００５】
しかし、量子力学の原理を利用する量子コンピュータを用いれば計算の困難さは解消されることが証明されているほか、計算の困難さについての情報理論的な証明は存在しないので、現在のコンピュータを利用する効率的なアルゴリズムが発見される可能性もあり、公開鍵暗号方式の安全性には疑問がある。
【０００６】
一方、秘密鍵を共有する共通鍵方式では、第３者に知られないように秘密鍵を共有する必要がある。例えばネットワークを介して秘密鍵の共有処理を行なう場合には、ネットワークの盗聴などに対して十分な対策を講じることが必要となる。
【０００７】
量子暗号を適用することで、物理法則を利用して安全に秘密鍵を共有することが可能になる。量子暗号を用いた秘密情報の通信は、例えば光ファイバーを介した微弱な信号光（平均光子数が１個程度）の送信によって行なわれる。量子暗号を用いた秘密情報の通信における安全性は、量子暗号を適用した通信チャネルからの信号検出において微弱な光の状態を一回の測定で正確に決定することができないということに基づく。
【０００８】
量子暗号を用いた秘密情報の通信の概要について説明する。秘密データの共有は、送信側において光に対する偏光処理、あるいは位相変調処理を施して送信し、受信側でこれを検出することを基本として行なわれる。
【０００９】
位相変調処理を適用した秘密情報の通信処理例について、図を参照して説明する。図１に示すように、送信者（Ａｌｉｃｅ）１０から、受信者（Ｂｏｂ）２０に対して例えば光ファイバー等のデータ通信路３０を介して光信号が送信される。
【００１０】
送信者（Ａｌｉｃｅ）１０側では、変調器１１を適用して、｛０，π／２，π，３π／２｝のいずれかの位相変調をコヒーレント光に対して施して出力する。例えば、図に示すように、ビット０に対しては、０またはπ／２の位相変調光とし、ビット１に対しては、π，または３π／２の位相変調光として出力する。
【００１１】
例えば、図１の下段に示す表において選択ビット列が（ａ）のビット系列である場合、変調器１１から出力される位相変調光は（ｂ）に示すような位相変調系列信号として受信者（Ｂｏｂ）２０側に送信される。なお、ここでは、（ａ）の選択ビット系列の設定の後、選択ビット系列に対応する変調処理を行なう設定例を説明するが、（ａ）の選択ビット系列の設定を行うことなく、ランダムなシーケンスで変調を行なってもよい。すなわち、（ａ）の選択ビット系列の設定を行うことなく、（ｂ）に示す位相変調をランダムに実行し、その後、変調系列データに対応するビット列、すなわち（ａ）の選択ビット列を導く構成でもよい。
【００１２】
次に、受信者（Ｂｏｂ）２０側の処理について、図２を参照して説明する。受信者（Ｂｏｂ）２０側では、観測器２１において、｛０，π／２｝のいずれかをランダムに選択して位相変調を行い干渉を測定する。干渉測定により、干渉の検出が可能なケースは、下記の２つのケースである。
（１）データ送信側の位相変調＝０，π→観測器２１において０の位相変調を行なった場合
（２）データ送信側の位相変調＝π／２，３π／２→観測器２１においてπ／２の位相変調を行なった場合
である。
【００１３】
それ以外の組み合わせでは、干渉に基づくビット検出はできない。例えば、受信者（Ｂｏｂ）２０側の観測器２１において、図２の下段の表に示す（ｃ）の位相変調処理を実行した場合、（ｄ）に示すビット検出が可能となる。（ｄ）干渉に基づく確認ビットに示すデータにおいて、［０］，［１］が、上記条件（１）または（２）を満足する組み合わせであり、ビットの識別が実行できた部分であり、［×］は、上記条件（１），（２）を満足しない組み合わせであり、ビットの識別が実行できなかった部分である。
【００１４】
次に、受信者（Ｂｏｂ）２０は、図３に示すように、受信者（Ｂｏｂ）２０側の観測器２１において適用した変調系列情報、すなわち図の下段の表の（ｃ）の情報列を送信者（Ａｌｉｃｅ）１０側に通知する。図に示す｛０，０，π／２，π／２，０・・｝である。
【００１５】
送信者（Ａｌｉｃｅ）１０は、受信者（Ｂｏｂ）２０から受領した変調系列情報に基づいて、ビット検出に適応した正しい変調が行なわれた部位、すなわち上記条件（１）または（２）を満足する組み合わせである部位と、正しくない変調が行なわれた部位、すなわち上記条件（１），（２）を満足しない組み合わせである部位を示す情報を生成して受信者(Ｂｏｂ)２０に送信する。すなわち図の下段の表の（ｅ）の情報列を受信者（Ｂｏｂ）２０側に通知する。図に示す｛○，×，○，×，○，○・・｝である。
【００１６】
なお、図３に示す受信者（Ｂｏｂ）２０側からの変調系列情報｛０，０，π／２，π／２，０・・｝、送信者（Ａｌｉｃｅ）１０側からの情報｛○，×，○，×，○，○・・｝は公開通信路を適用してよい。
【００１７】
次に、図４に示すように、受信者（Ｂｏｂ）２０は、観測器２１において検出されたビット情報列を送信者（Ａｌｉｃｅ）１０側に通知する。図に示す｛０，０，１，０・・｝である。一方、送信者（Ａｌｉｃｅ）１０は、上記条件（１）または（２）を満足する組み合わせである部位のみの構成ビット列情報を受信者（Ｂｏｂ）２０に通知する。図に示す｛０，０，１，０・・｝である。これは、図の下段の表において、（ａ）の送信ビットから（ｅ）送受信側の変調適合において［○］が設定されたもののみを選択したビット系列である。これらの通知処理も公開通信路を介して実行してよい。
【００１８】
データ通信路３０において通信データの盗聴が行なわれていない場合は、図４に示すビットの相互通知処理において、すべての確認ビットが一致する。しかし、データ通信路３０において通信データの盗聴が行なわれると、図５に示すように、ビットの相互通知処理において、相互の通知ビットのずれが発生する。これは、データ通信路３０の盗聴により、変調状態が変化してしまうことによる。データ通信路３０における盗聴がない場合には、相互の通知ビットのずれは発生することがない。
【００１９】
このようなデータ通信により、例えば共通鍵暗号方式における秘密鍵などの秘密情報を共有することが可能となる。なお、例えば秘密鍵ｎビットを共有する場合は、図４を参照して説明した相互通知処理のなされたビットが互いに一致することを確認した後、予め相互に通知済みの共通のビット選択処理により、上記処理によって共有できたｍビット（ｍ＞ｎ）からｎビットを選択するなどの処理が実行される。
【００２０】
なお、上述の量子暗号を適用したデータ通信においては、正規の受信者は、送信者から送信される微弱なパルス光を検出することが必要となる。微弱なパルス光を検出する方法としては、単一光子検出法とホモダイン検出法がある。ホモダイン検出法は微弱な信号光（平均光子数が１個程度）と比較的強度の強いＬＯ光（典型的な平均光子数は１０６程度）を重ね合わせて信号光の状態を測定する方法である。
【００２１】
ホモダイン検出法の利点は、室温での動作が可能で、現在の技術でも理論的な限界に近い測定が可能であること、直交位相振幅の確率分布関数のように測定状態についてのより詳細な情報が得られることなどがある。
【００２２】
しかし、従来の量子暗号を適用した秘密情報の通信装置および方法では、通信経路として利用される光ファイバーあるいは自由空間において生じる光の偏光状態の乱れや光路長のずれによって、正確な信号検出が困難になるという問題が発生し、実用化の妨げになっているというのが現状である。
【００２３】
一方、単一光子検出を用いる量子暗号の場合には、これらの乱れやずれを自動的に補正する方法が既に報告されている。しかし、単一光子検出を用いる場合には、検出効率の高い検出素子がないという問題がある。例えば単一光子検出に適用可能とされるアバランシェフォトダイオードを利用する場合、素子を低温に保つ必要があるなど実用上の問題が多い。
【００２４】
単一光子検出を用いる量子暗号において提案されている信号の乱れやずれを自動的に補正する方法をホモダイン検出法に適用するという考えもあるが、単一光子検出を用いる量子暗号において提案されている信号の乱れやずれを自動的に補正する方法では、２つのパルス光が重なり合い干渉を起こす際に、両者の強度が等しくなってしまい、信号光とＬＯ光の強度が異なるホモダイン検出の場合にそのまま適用することは困難であるという問題がある。
【００２５】
このように、これまでに提案されている量子暗号を適用した秘密情報の通信装置および方法では、通信経路として利用される光ファイバーあるいは自由空間における光の偏光状態の乱れや光路長のずれを防止できず、その結果として正確な信号検出ができないという問題が存在していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、量子暗号を適用した秘密情報の通信において生じる光の偏光状態の乱れや光路長のずれを解消し、正確な信号検出を可能とした量子暗号通信方法、および量子暗号通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明の第１の側面は、
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信方法であり、
第１の通信端末から通信路上に時間差を持つ複数のパルス光を出力するパルス光出力ステップと、
第２の通信端末において、前記複数のパルス光を前記通信路を介して受信し、前記複数のパルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行し、減衰パルス光と非減衰パルス光とを前記第１の通信端末に返信するパルス光返信ステップと、
前記第１の通信端末において、前記第２の通信端末から減衰パルス光と非減衰パルス光とを受信し、該減衰パルス光と非減衰パルス光に基づく干渉測定による通信情報の解析を実行する情報解析ステップと、
を有することを特徴とする量子暗号通信方法にある。
【００２８】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記第１の通信端末は、前記パルス光出力ステップにおいて、通信路上に出力する時間差を持つ２つのパルス光の各々を前記第１の通信端末内の異なる経路を通過させた後、通信路に出力し、前記情報解析ステップにおいては、前記第２の通信端末から受信する前記２つのパルス光に対応する減衰パルス光と非減衰パルス光とを、前記パルス光出力ステップにおいて各パルス光が通過した経路を相互に入れ替えて通過させて、各パルス光の通信端末間の往復経路を一致させて各パルス光に基づく干渉測定を実行することを特徴とする。
【００２９】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記第２の通信端末におけるパルス光返信ステップは、ファラデーミラーによるパルス光の反射処理を含むステップであることを特徴とする。
【００３０】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記第２の通信端末におけるパルス光返信ステップは、前記第１の通信端末から受信する複数のパルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行して信号光を生成し、前記信号光と、非減衰パルス光としてのＬＯ光とを前記第１の通信端末に返信する処理を実行することを特徴とする。
【００３１】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記第１の通信端末において実行する情報解析ステップは、前記第２の通信端末からの減衰パルス光である信号光と非減衰パルス光としてのＬＯ光とに基づくホモダイン検出処理を実行するステップであることを特徴とする。
【００３２】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記第２の通信端末において実行するパルス光返信ステップは、音響光学素子を適用した選択パルス光の減衰処理を実行するステップを含むことを特徴とする。
【００３３】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記第２の通信端末において実行するパルス光返信ステップは、ＬｉＮｂＯ３位相変調器に基づく選択パルス光の位相変調処理を実行するステップを含むことを特徴とする。
【００３４】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記量子暗号通信方法において、さらに、前記第１の通信端末は、パルス光の位相変調処理を実行するステップを含むことを特徴とする。
【００３５】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記パルス光の位相変調処理は、ＬｉＮｂＯ３位相変調器に基づくパルス光の位相変調処理であることを特徴とする。
【００３６】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記第２の通信端末において実行するパルス光返信ステップは、前記通信路を介して受信するパルス光をビームスプリッタで分離し、減衰および変調処理を実行するパルスの到着タイミングを検出し、該検出情報に基づく制御により、前記複数のパルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行するステップを含むことを特徴とする。
【００３７】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記量子暗号通信方法は、さらに、前記第１の通信端末において、前記通信路を介して受信する複数のパルス光をビームスプリッタで分離し、変調処理およびホモダイン検出処理を実行するパルスの到着タイミングを検出し、該検出情報に基づく制御により、前記複数のパルス光から選択されたパルス光のみの変調処理と、ホモダイン検出を実行するステップを含むことを特徴とする。
【００３８】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記第１の通信端末、または前記第２の通信端末の少なくとも一方が複数の端末によって構成され、前記通信路に対する出力パルス光に対する波長分割多重処理を実行し、多重化光信号として端末間通信を実行することを特徴とする。
【００３９】
さらに、本発明の第２の側面は、
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置であり、
通信路上に時間差を持つ複数のパルス光を出力する第１の通信端末と、
前記複数のパルス光を前記通信路を介して受信し、前記複数のパルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行し、減衰パルス光と非減衰パルス光とを前記第１の通信端末に返信する第２の通信端末とからなり、
前記第１の通信端末は、前記第２の通信端末から減衰パルス光と非減衰パルス光とを受信し、該減衰パルス光と非減衰パルス光に基づく干渉測定による通信情報の解析を実行する構成を有することを特徴とする量子暗号通信装置にある。
【００４０】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記第１の通信端末は、前記パルス光の出力処理において、通信路上に出力する時間差を持つ２つのパルス光の各々を前記第１の通信端末内の異なる経路を通過させた後、通信路に出力する構成であり、前記第２の通信端末から受信する前記２つのパルス光に対応する減衰パルス光と非減衰パルス光とを、前記パルス光の出力時に各パルス光が通過した経路を相互に入れ替えて通過させて、各パルス光の通信端末間の往復経路を一致させて各パルス光に基づく干渉測定を実行する構成であることを特徴とする。
【００４１】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記第２の通信端末は、ファラデーミラーによるパルス光の反射処理を実行する構成を有することを特徴とする。
【００４２】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記第２の通信端末は、前記第１の通信端末から受信する複数のパルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行して信号光を生成し、前記信号光と、非減衰パルス光としてのＬＯ光とを前記第１の通信端末に返信する処理を実行する構成であることを特徴とする。
【００４３】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記第１の通信端末は、前記第２の通信端末からの減衰パルス光である信号光と非減衰パルス光としてのＬＯ光とに基づくホモダイン検出処理を実行する構成であることを特徴とする。
【００４４】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記第２の通信端末は、音響光学素子を適用した選択パルス光の減衰処理を実行する構成を有することを特徴とする。
【００４５】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記第２の通信端末は、ＬｉＮｂＯ３位相変調器に基づく選択パルス光の位相変調処理を実行する構成を有することを特徴とする。
【００４６】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記量子暗号通信装置において、さらに、前記第１の通信端末は、パルス光の位相変調処理を実行する構成を有することを特徴とする。
【００４７】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記パルス光の位相変調処理は、ＬｉＮｂＯ３位相変調器に基づくパルス光の位相変調処理として実行する構成であることを特徴とする。
【００４８】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記第２の通信端末は、前記通信路を介して受信するパルス光をビームスプリッタで分離し、減衰および変調処理を実行するパルスの到着タイミングを検出し、該検出情報に基づく制御により、前記複数のパルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行する構成を有することを特徴とする。
【００４９】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記第１の通信端末は、前記通信路を介して受信する複数のパルス光をビームスプリッタで分離し、変調処理およびホモダイン検出処理を実行するパルスの到着タイミングを検出し、該検出情報に基づく制御により、前記複数のパルス光から選択されたパルス光のみの変調処理と、ホモダイン検出を実行する構成を有することを特徴とする。
【００５０】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記第１の通信端末、または前記第２の通信端末の少なくとも一方が複数の端末によって構成され、前記通信路に対する出力パルス光に対する波長分割多重処理を実行し、多重化光信号として端末間通信を実行する構成を有することを特徴とする。
【００５１】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記第１の通信端末、または前記第２の通信端末の少なくとも一方は、偏光ビームスプリッタと、１／２波長板を構成要素とするビームスプリッタを有することを特徴とする。
【００５２】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記第１の通信端末は、偏光子、１／２波長板、偏光ビームスプリッタ、ファラデーローテータを構成要素とするサーキュレータを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００５３】
本発明の構成によれば、量子暗号に基づく通信処理において、第１の通信端末から通信路上に時間差を持つ複数のパルス光を出力し、第２の通信端末において、受信パルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行し、減衰パルス光と非減衰パルス光とを第１の通信端末に返信し、第１の通信端末において、減衰パルス光と非減衰パルス光とを受信し、該減衰パルス光と非減衰パルス光に基づく干渉測定による通信情報の解析を実行する構成としたので、第２の通信端末におけるパルス光の選択的な減衰処理によってホモダイン検出において適用可能な信号光とＬＯ光とを生成し、これらの信号光とＬＯ光とに基づく干渉検出による情報通信が可能となる。
【００５４】
さらに、本発明によれば、第１の通信端末は、パルス光の出力処理において、通信路上に出力する時間差を持つ２つのパルス光の各々を第１の通信端末内の異なる経路を通過させた後、通信路に出力し、第２の通信端末から受信する２つのパルス光に対応する減衰パルス光と非減衰パルス光とを、パルス光の出力時に各パルス光が通過した経路を相互に入れ替えて通過させて、各パルス光の通信端末間の往復経路を一致させて各パルス光に基づく干渉測定を実行する構成としたので、通信路を構成する光ファイバーあるいは自由空間における光の偏光状態の乱れや光路長のずれが解消され正確な信号検出が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
以下、本発明の量子暗号通信方法、および量子暗号通信装置の詳細について説明する。
【００５６】
図６は本発明の一実施形態における量子暗号処理を適用した秘密情報の通信を実行する量子暗号通信装置の構成を示す図である。通信端末１００および通信端末２００間で、光ファイバーからなる通信路３００を介して秘密情報を送信する。送信秘密情報は、例えば共通鍵暗号方式において適用される共有秘密鍵などの秘密情報である。
【００５７】
通信端末１００は、光源１０４、サーキュレータ１０５、分岐比が１対１のビームスプリッタ１０６、位相変調器１０７、遅延器１０８、ビームスプリッタ１０９、検出器１１０、偏光ビームスプリッタ１１１、ホモダイン検出器１１２、コントローラ１１９を有する。
【００５８】
一方、通信端末２００は、ビームスプリッタ２１３、遅延器２１４、位相変調器２１５、可変減衰器２１６、ファラデーミラー２１７、検出器２１８、コントローラ２２０を有する。
【００５９】
通信路３００には光ファイバーもしくは自由空間を用いることができる。自由空間を通信路とするときには、望遠鏡を使用して通信路における光ビームの径を大きくすることにより、光の回折の影響を小さくすることができる。
【００６０】
通信端末１００の光源１０４には半導体レーザーを用いることができる。通信路３００に長距離の光ファイバーを用いる場合には、波長１．５５μｍの半導体レーザーを用いることにより光損失の影響を小さくすることができる。光源はパルス光を発生するように、半導体レーザーへの注入電流をパルス的に変調するか、吸収型光変調器（ＥＡＭ）を用いる。半導体レーザーとしてはファブリーペロー型を用いることもできるが、ＤＦＢレーザーを用いると光源のスペクトル幅を狭くすることができる。
【００６１】
以下、量子暗号を適用した通信処理の動作シーケンスに従って、各構成部における処理の詳細を説明する。
【００６２】
通信端末１００の光源１０４で発生するパルス光が、通信路３００を介して通信端末２００へ送信され、その送信データが再度、通信路３００を介して通信端末１００へ戻ってくるという順番で動作するので、その順番に従って説明する。
【００６３】
通信端末１００のサーキュレータ１０５は、光源１０４からの光がビームスプリッタ１０６へ出力され、ビームスプリッタ１０６から戻ってきた光がホモダイン検出器１１２へ出力されるように光路制御を実行する。
【００６４】
通信端末１００の光源１０４から発生したパルス光は、サーキュレータ１０５を介してビームスプリッタ１０６に入力されると、ビームスプリッタ１０６において、２つのパルス光Ｐ１，Ｐ２に分離される。
【００６５】
位相変調器１０７、遅延器１０８、ビームスプリッタ１０９を経て偏光ビームスプリッタ１１１に進むパルス光をＰ１とする。また、ビームスプリッタ１０６から偏光ビームスプリッタ１１１へ直接出力されるパルス光をＰ２とする。図では、通信端末１００から通信端末２００へ向かうパルス光Ｐ１，Ｐ２を実線矢印で示し、通信端末２００から通信端末１００へ戻るパルス光Ｐ１，Ｐ２を点線矢印で示している。
【００６６】
ビームスプリッタ１０６から偏光ビームスプリッタ１１１へ進む２つの経路は偏波保存ファイバーで各部品間を接続し、パルス光Ｐ１とＰ２が偏光ビームスプリッタ１１１で合流し、通信路３００に入るときには、パルス光Ｐ１とＰ２は互いに直交する直線偏光となる。
【００６７】
但し、遅延器１０８により、パルス光Ｐ１はパルス光Ｐ２よりも遅れて通信路３００に入力される。パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２の時間差は、光源１０４のパルス光のコヒーレンス時間よりも十分長くなければならず、また、通信端末１００の側の位相変調器１０７と、通信端末２００側の位相変調器２１５および可変減衰器２１６の応答時間よりも長くなるように選ぶ。
【００６８】
通信端末２００では、通信端末１００から通信路３００を経由してパルス光Ｐ１、Ｐ２を受信する。通信端末２００では、通信路３００からの入力パルス光（パルス光Ｐ１，Ｐ２）をビームスプリッタ２１３に入力する。ビームスプリッタ２１３は、大部分の光を遅延器２１４側に出力する。一部の光のみが検出器２１８に出力されるように入力光の分岐処理を行なう。
【００６９】
ビームスプリッタ２１３の分岐比は、検出器２１８がパルス光Ｐ２の到着をモニターできる強度となる範囲でなるべく多くの光が遅延器２１４側に進むように設定する。例えば分岐比は９対１に設定される。
【００７０】
検出器２１８は、パルス光Ｐ２の到着をモニターするために用いる。検出器２１８は、例えばフォトダイオードもしくはアバランシェフォトダイオードと、これに増幅器を組み合わせた構成が適用可能である。フォトダイオードとアバランシェフォトダイオードには、パルス光の波長が可視域もしくは近赤外の場合にはＳｉを、波長が１．３μｍ〜１．６μｍの場合にはＧｅもしくはＩｎＧａＡｓを用いることができる。
【００７１】
検出器２１８の出力は、コントローラ２２０へ入力する。コントローラ２２０は位相変調器２１５と可変減衰器２１６をコントロールする。図６においては、位相変調器２１５が可変減衰器２１６より通信路３００側に設置された例を示しているが、可変減衰器２１６が位相変調器２１５より通信路３００側に設置する構成であってもよく、位相変調器２１５と可変減衰器２１６の設定順序はいずれでもよい。
【００７２】
コントローラ２２０は位相変調器２１５と可変減衰器２１６を制御して、パルス光Ｐ２に対しては、可変減衰器２１６の透過率が高くなるようにし、位相変調器２１５は作用させない。一方、パルス光Ｐ１に対しては可変減衰器２１６の減衰量を大きくして透過率を低くし、さらに位相変調器２１６により適当な位相変調処理を実行する。
【００７３】
例えば、４つの量子状態を用いる量子暗号を行う場合には、０度、９０度、１８０度、２７０度の位相変調をパルスごとにランダムに加える。可変減衰器２１６には、音響光学素子またはＬｉＮｂＯ３強度変調器を用いることができる。位相変調器２１５には、ＬｉＮｂＯ３位相変調器を用いることができる。
【００７４】
通信端末１００から通信路３００を介して通信端末２００に入力したパルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２は通信端末２００のファラデーミラー２１７で反射され、通信端末１００に戻される。従って、パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２は通信端末２００の可変減衰器２１６と位相変調器２１５を、行きと帰りをあわせて２回通ることになる。
【００７５】
可変減衰器２１６の減衰量は、通信端末２００から通信端末１００へ戻っていくパルス光Ｐ１のパルスあたりの平均光子数が１個程度となるように設定する。
【００７６】
このようにパルス光Ｐ１のパルス光を微弱にすることは、量子暗号通信装置として、通信の安全性を確保するためである。先に、図１〜図５を参照して説明したように、通信路における盗聴が発生したか否かを通信端末１００と通信端末２００間での照合処理（図４，５参照）によって判別することが可能となる。
【００７７】
一方、通信端末２００から通信端末１００へ戻っていくパルス光Ｐ２のパルスあたりの平均光子数は、通信端末１００側のホモダイン検出器１１２の信号対雑音比が最適になるように選ぶ。典型的なパルス光Ｐ２の強度はパルスあたりの平均光子数が１０６個程度である。このとき、通信端末２００側の可変減衰器２１６のパルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２に対する相対的な透過率の典型的な比は、１０−６：１程度となる。
【００７８】
前述したように、ホモダイン検出法は微弱な信号光（平均光子数が１個程度）と比較的強度の強いＬＯ光（典型的な平均光子数は１０６程度）を重ね合わせて信号光の状態を測定する方法であり、通信端末２００から通信端末１００へ戻っていくパルス光Ｐ１が平均光子数が１個程度となる信号光に相当し、通信端末２００から通信端末１００へ戻っていくパルス光Ｐ２が平均光子数は１０６程度のＬＯ光に相当する。
【００７９】
通信端末２００側の位相変調器２１５と可変減衰器２１６はともに、通信路３００から通信端末２００へ入るパルス光の偏光状態に依存しない位相変調と減衰を与える必要があるが、パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２の反射にファラデーミラー２１７を用いることで、自動的にこの条件を満たすことができる。可変減衰器２１６に音響光学素子を用いる場合には、ほぼ光の偏光状態に依存しない透過率となるので、この場合、パルス光Ｐ１に対する可変減衰器２１６の１回あたりの透過率は１０−３程度に設定する。
【００８０】
通信端末２００において上述の処理がなされた減衰パルス光と非減衰パルス光、すなわち減衰パルス光であるパルス光Ｐ１と、非減衰パルス光であるパルス光Ｐ２は、通信路３００を介して通信端末１００に入力される。減衰パルス光であるパルス光Ｐ１は信号光に相当し、非減衰パルス光であるパルス光Ｐ２はＬＯ光に相当する光信号となる。
【００８１】
通信端末２００から通信路３００を介して通信端末１００に入力されたパルス光Ｐ１（信号光）とパルス光Ｐ２（ＬＯ光）は、偏光ビームスプリッタ１１１により、パルス光Ｐ１（信号光）は直接ビームスプリッタ１０６へ入力される短い経路へ出力され、パルス光Ｐ２（ＬＯ光）はビームスプリッタ１０９や遅延器１０８等を通る長い経路へ分岐される。図では、パルス光Ｐ１（信号光）、パルス光Ｐ２（ＬＯ光）をそれぞれ点線矢印で示している。
【００８２】
パルス光Ｐ１（信号光）とパルス光Ｐ２（ＬＯ光）は、通信端末２００に設置されたファラデーミラー２１７によって反射された光であるので、通信端末１００の偏光ビームスプリッタ１１１へ戻ってきたパルス光Ｐ１（信号光）とパルス光Ｐ２（ＬＯ光）は、通信端末１００から出力されたパルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２に対してそれぞれ９０度偏光面が回転した直線偏光になっている。
【００８３】
この偏光に起因して、通信端末１００に入力されたパルス光Ｐ１（信号光）は、偏光ビームスプリッタ１１１により、直接ビームスプリッタ１０６へ入力される短い経路へ出力され、パルス光Ｐ２（ＬＯ光）はビームスプリッタ１０９や遅延器１０８等を通る長い経路へ分岐される。
【００８４】
すなわち、通信端末１００の偏光ビームスプリッタ１１１とビームスプリッタ１０６間の経路は、通信端末１００から通信端末２００へ向かう際のパルス光Ｐ１，Ｐ２と、通信端末２００から通信端末１００へ戻ったパルス光Ｐ１（信号光），Ｐ２（ＬＯ光）とで入れ替わることになる。
【００８５】
この構成では、通信端末２００における減衰処理によって減衰された微弱なパルス光Ｐ１（信号光）は、通信端末１００側では、余分な光学部品のない短い経路を通るため、通信端末１００に戻ってきたパルス光Ｐ１（信号光）の光損失を小さくすることができる。
【００８６】
一方、典型的なパルスあたりの光子数が１０６個程度であるパルス光Ｐ２（ＬＯ光）は、ビームスプリッタ１０９により、遅延器１０８へ進むパルスと検出器１１０へ進むパルスに分かれる。ビームスプリッタ１０９の典型的な分岐比は９対１とし、大部分のパルスが遅延器１０８側に進むように設定される。
【００８７】
通信端末１００の検出器１１０の構成は、通信端末２００の検出器２１８と同様で、ビームスプリッタ１０９の分岐比に関しても、パルス光Ｐ２（ＬＯ光）の到着が検出できる範囲でなるべく多くの光が遅延器１０８側に出力されるように設定する。
【００８８】
検出器１１０の出力はコントローラ１１９へ入力する。コントローラ１１９は位相変調器１０７をコントロールするほか、ホモダイン検出器１１２の出力を読み出すタイミングをコントロールする働きを持つ。
【００８９】
遅延器１０８を通ったパルス光Ｐ２（ＬＯ光）には位相変調器１０７で適当な位相変調を与える。４つの量子状態を用いる量子暗号の場合は、０度または９０度の位相変調をランダムに与える。
【００９０】
往路、すなわち通信端末１００から通信端末２００へ向かう際には、長い経路（位相変調器１０７，遅延器１０８、ビームスプリッタ１０９側）を通ったパルス光Ｐ１は、復路では短い経路（偏光ビームスプリッタ１１１→ビームスプリッタ１０６）を経由してビームスプリッタ１０６に到着する。
【００９１】
一方、往路、すなわち通信端末１００から通信端末２００へ向かう際には、短い経路（偏光ビームスプリッタ１１１→ビームスプリッタ１０６）を通ったパルス光Ｐ２は、復路では長い経路（位相変調器１０７，遅延器１０８、ビームスプリッタ１０９側）を経由してビームスプリッタ１０６に到着する。
【００９２】
このように、パルス光Ｐ１，Ｐ２は、通信端末１００と通信端末２００間の往復において全く等距離の経路を経由することになり、パルス光Ｐ１（信号光）とパルス光Ｐ２（ＬＯ光）は同時にビームスプリッタ１０６に到着する。
【００９３】
パルス光Ｐ１は量子力学的な性質が現れる信号光で、それに比べて強度の強いパルス光Ｐ２を局部発振光（ＬＯ光）として用いて、パルス光Ｐ１のホモダイン検出を行うことになる。ビームスプリッタ１０６の２つの出力は、片方は直接、もう片方はサーキュレータ１０５を通って、ホモダイン検出器１１２へ入力される。
【００９４】
ホモダイン検出器１１２の２つの入力部には、それぞれフォトダイオードを設置する。フォトダイオードには、パルス光の波長が可視域もしくは近赤外の場合にはＳｉを、波長が１．３μｍ〜１．６μｍの場合にはＧｅもしくはＩｎＧａＡｓを用いることができる。２つのフォトダイオードの出力は、低雑音で利得の高い増幅器に入力され、さらにこの増幅器の出力を、局部発振光（パルス光Ｐ２）の強度や増幅器の利得等を使って規格化すると、信号光（パルス光Ｐ１）の直交位相振幅が得られる。ホモダイン検出器１１２の検出情報から通信秘密情報、例えば秘密鍵を得ることができる。
【００９５】
図６に示す通信端末１００と通信端末２００間の通信による秘密情報の共有シーケンスの概要について図７〜図９を参照して説明する。
【００９６】
図７は、上述した通信端末１００と通信端末２００間の往復通信による秘密情報の共有処理について、先に図１〜図５を参照して説明した一方向通信型の量子暗号通信処理に対応させて示した図である。
【００９７】
図７において、左サイドに示す通信端末２００と右サイドに示す通信端末１００は、図６の通信端末２００と通信端末１００に相当する。まず、通信端末１００から往路のパルス光Ｐ１，Ｐ２が通信端末２００に出力され、通信端末２００にから通信端末１００に復路のパルス光Ｐ１，Ｐ２が通信端末１００に戻される。
【００９８】
ここで、通信端末２００は、通信端末１００からの受信パルス光Ｐ１，Ｐ２中、受信パルス光Ｐ１に位相変調器２１５を適用して、｛０，π／２，π，３π／２｝のいずれかの位相変調を施す。この位相変調系列が図７下段の表の（ｂ）のデータ送信側位相変調系列に相当する。
【００９９】
通信端末２００が、受信パルス光Ｐ１に対して実行する位相変調系列（図７の表（ｂ））はランダムに選択された系列であってよい。あるいは、予め図７の下段の表の（ａ）選択ビットを設定した後、その選択ビットに対応する変調を行なってもよい。
【０１００】
なお、例えば、ビット０に対しては、０またはπ／２の位相変調光とし、ビット１に対しては、π，または３π／２の位相変調が対応付けられているものとする。
【０１０１】
このような位相変調を行なわれたパルス光Ｐ１は可変減衰器２１６（図６参照）によって減衰された信号光として通信端末１００に戻される。パルス光Ｐ２は減衰されることなく通信端末１００に戻される。
【０１０２】
通信端末２００から通信端末１００に戻されるパルス光Ｐ１は微弱な信号光（平均光子数が１個程度）であり、通信端末２００から通信端末１００に戻されるパルス光Ｐ２は、比較的強度の強いＬＯ光（典型的な平均光子数は１０６程度）である。
【０１０３】
この戻りパルス光Ｐ１（信号光）と、パルス光Ｐ２（ＬＯ光）を受信した通信端末１００は、位相変調器１０７において、例えば｛０，π／２｝のいずれかをランダムに選択して、パルス光Ｐ２（ＬＯ光）に対する位相変調を行いホモダイン検出器１１２において干渉を測定する。
【０１０４】
例えば、通信端末１００の位相変調器１０７において、図７の下段の表に示す（ｃ）の位相変調処理を実行した場合、ホモダイン検出器１１２においては、（ｄ）に示すビット検出が可能となる。（ｄ）干渉に基づく確認ビットに示すデータにおいて、［０］，［１］が、干渉によるビット識別が実行できた部分であり、［×］は、ビット識別が実行できなかった部分である。ビット識別の可否は、前述したように通信端末２００と通信端末１００において実行される位相変調処理の組み合わせによって決定される。
【０１０５】
例えば、通信端末１００のホモダイン検出器１１２は、図７の下段の表の（ｄ）干渉に基づく確認ビットに示すデータに示すように、位相変調処理の組み合わせが所定条件を満足する場合にのみ、ビット［０］、または［１］が検出されることになる。［×］は、ビットの識別が実行できなかった部分である。
【０１０６】
その後、通信端末１００は、図８に示すように、通信端末１００において適用した変調系列情報、すなわち図の下段の表の（ｃ）の情報列を通信端末２００に通知する。図に示す｛０，０，π／２，π／２，０・・｝である。
【０１０７】
通信端末２００は、通信端末１００から受領した変調系列情報に基づいて、ビット検出に適応した正しい変調が行なわれた部位と、正しくない変調が行なわれた部位を示す情報を生成して通信端末１００に送信する。すなわち図の下段の表の（ｅ）の情報列を受信者通信端末１００側に通知する。図に示す｛○，×，○，×，○，○・・｝である。
【０１０８】
なお、図８に示す通信端末１００からの変調系列情報｛０，０，π／２，π／２，０・・｝、通信端末２００側からの情報｛○，×，○，×，○，○・・｝は公開通信路を適用してよい。
【０１０９】
次に、図９に示すように、通信端末１００は、検出されたビット情報列を通信端末２００に通知する。図に示す｛０，０，１，０・・｝である。一方、通信端末２００は、通信端末１００側で検出可能な位相変調を行なった部分のみのビット列情報を通信端末１００に通知する。図に示す｛０，０，１，０・・｝である。これは、図の下段の表において、（ａ）の送信ビットから（ｅ）送受信側の変調適合において［○］が設定されたもののみを選択したビット系列である。これらの通知処理も公開通信路を介して実行してよい。
【０１１０】
データ通信路３００において通信データの盗聴が行なわれていない場合は、図９に示すビットの相互通知処理において、すべての確認ビットが一致する。しかし、データ通信路３００において通信データの盗聴が行なわれると、ビットの相互通知処理において、相互の通知ビットのずれが発生する。これは、データ通信路３００の盗聴により、変調状態が変化してしまうことによる。データ通信路３００における盗聴がない場合には、相互の通知ビットのずれは発生することがない。
【０１１１】
このようなデータ通信により、例えば共通鍵暗号方式における秘密鍵などの秘密情報を共有することが可能となる。なお、例えば秘密鍵ｎビットを共有する場合は、図９を参照して説明した相互通知処理のなされたビットが互いに一致することを確認した後、予め相互に通知済みの共通のビット選択処理により、上記処理によって共有できたｍビット（ｍ＞ｎ）からｎビットを選択するなどの処理が実行される。
【０１１２】
図６の構成によれば、通信端末間で往復通信路を形成し、信号光として利用されるパルス光Ｐ１と、ＬＯ光として利用されるパルス光Ｐ２との往復経路距離が同一となり、通信端末１００のビームスプリッタ１０６に到着するタイミングは、信号光として利用されるパルス光Ｐ１と、ＬＯ光として利用されるパルス光Ｐ２が全く同じタイミングとなり、ホモダイン検出器１１２における干渉測定を正確に実行することが可能となる。
【０１１３】
具体的には、図６の通信端末１００のビームスプリッタ１０６と、偏向ビームスプリッタ１１１との間の経路を往路と復路で、パルス光Ｐ１，Ｐ２が入れ替わる構成とすることで、通信端末１００と通信端末２００間を往復する２つのパルス光Ｐ１，Ｐ２の往復経路距離を等しく設定し、この結果、ホモダイン検出器１１２における干渉測定を正確に実行することが可能となる。
【０１１４】
図１０は、図６の通信端末１００中に構成されるサーキュレータ１０５とビームスプリッタ１０６を個別の光学部品で構成した場合の一例を示す図である。
【０１１５】
サーキュレータ１０５は市販の光サーキュレータを使用するのがもっとも簡便であるが、ファイバー光学部品を使用しないほうが実装面でコンパクトになる場合などもあり、このような場合には、図１０に示すサーキュレータ構成装置４１０を適用してもよい。
【０１１６】
サーキュレータ構成装置４１０は偏光子４１１、１／２波長板４１２、偏光ビームスプリッタ４１３、ファラデーローテータ４１４よりなる。偏光子４１１は、図６に示す通信端末１００の光源１０４の消光比が悪い場合に消光比を改善するために用いる。
【０１１７】
１／２波長板４１２は光源１０４からの光が偏光ビームスプリッタを透過するように、光の偏光面を回転するために用いる。ファラデーローテータ４１４は偏光面を４５度回転し、サーキュレータ構成装置４１０を出た光が反射して戻ってきたときに、偏光ビームスプリッタ４１３で反射されるようにする。
【０１１８】
図６に示す通信端末１００のビームスプリッタ１０６も市販の５０％：５０％のビームスプリッタを用いるのがもっとも簡便であるが、図１０に示すようなビームスプリッタ構成装置４２０を適用してもよい。図１０に示すビームスプリッタ構成装置４２０は、分岐比を調整できるという特徴がある。
【０１１９】
ビームスプリッタ構成装置４２０は、偏光ビームスプリッタ４２１、１／２波長板４２２、偏光ビームスプリッタ４２３からなる。ビームスプリッタ構成装置４２０に入る光の偏光面は、１／２波長板４３１を調整することにより、偏光ビームスプリッタ４２１を透過するようにする。
【０１２０】
次に、１／２波長板４２２により偏光面の回転角を変化させることにより、偏光ビームスプリッタ４２３を透過する光と反射する光の比率を制御することができる。ビームスプリッタ構成装置４２０に戻ってきた光が偏光ビームスプリッタ４２１で透過光と反射光に分かれる際の分岐比も、１／２波長板４２２による偏光面の回転角できまる。
【０１２１】
図１１は、光源の波長を多重化して通信端末間で送受信する構成例を示した図である。通信路５５１は、光ファイバーから構成され、通信路５５１の両端に、第１の波長分割多重処理装置５３１と第２の波長分割多重処理装置５３２が設定される。
【０１２２】
第１の波長分割多重処理装置５３１には、図６を参照して説明した通信端末１００に相当する複数の通信端末、すなわち、第１の光源を含む通信端末ａ１，５１１、第２の光源を含む通信端末ａ２，５１２、第ｎ番目（ｎは整数）の光源を含む通信端末ａｎ，５１ｎのｎ台の通信端末が接続される。
【０１２３】
一方、第２の波長分割多重処理装置５４１には、図６を参照して説明した通信端末２００に相当する複数の通信端末、すなわち、第１のファラデーミラーを含む通信端末ｂ１，５２１、第２のファラデーミラーを含む通信端末ｂ２，５２２、第ｎ番目のファラデーミラーを含む通信端末ｂｎ，５２ｎのｎ台の通信端末が接続される。
【０１２４】
第１から第ｎ番目の光源を含む通信端末ａ１〜ａｎ，５１１〜５１ｎは、図６を参照して説明した通信端末１００と同様の構成からなる。但し、それぞれに含まれる光源は、少しずつ波長の異なる光パルスを発生するものとする。
【０１２５】
第１から第ｎ番目のファラデーミラーを含む通信端末ｂ１〜ｂｎ，５２１〜５２ｎは、図６を参照して説明した通信端末２００と同様の構成からなる。
【０１２６】
第１の波長分割多重処理装置５３１、第２の波長分割多重処理装置５４１を用いて、通信路５５１を進む光の波長を多重化することにより、一つの通信路を使って伝送できる情報量を増加させることができる。この結果、転送情報、例えば秘密鍵などの生成レートの向上が可能となる。
【０１２７】
第１の波長分割多重処理装置５３１と、第２の波長分割多重処理装置５４１は、通信路５５１から入ってきた光を波長毎に異なるポートに出力する処理を実行するが、実際には波長ごとに分離する処理は完全でなく、１つのポートに複数の波長が出力されるということが起こる。ところが、ホモダイン検出は、ＬＯ光と同じ波長の信号光を選択的に検出するという特徴をもっているので、波長分割多重処理による分離処理が不完全であっても、各通信端末ａ１〜ａｎ，５１１〜５１ｎにおけるホモダイン検出処理においては、ＬＯ光と同じ波長の信号光の選択的な検出が実行され、その他の波長の信号の存在があっても検出が不能となることはない。従って、異なる波長の異なる光パルスを適用し、波長分割多重処理を行なうことで、複数の通信端末が１つの光ファイバー等の伝送路を共用することが可能となる。
【０１２８】
なお、単一光子検出を行うタイプの量子暗号通信装置では、光検出器が他の波長の光の影響を受けやすいので、特に、強度の強いパルス光が通信路を流れるｐｌｕｇ＆ｐｌａｙの場合には、波長多重を行うことは困難である。
【０１２９】
本発明においては、ホモダイン検出処理を実行する構成であるので、前述したように、ＬＯ光と同じ波長の信号光の選択的な検出が実行され、その他の波長の信号の存在があっても検出が不能となることはない。従って、異なる波長の異なる光パルスを適用し、波長分割多重処理を行なうことで、複数の通信端末が１つの光ファイバー等の伝送路を共用することが可能となる。例えば、通信路をリング状として、複数の送受信端末がリング状の同一の通信路を共有する構成も可能であり、多数の通信端末が１つの通信路を共有することが可能となる。
【０１３０】
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈されるべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本発明の構成によれば、量子暗号に基づく通信処理において、第１の通信端末から通信路上に時間差を持つ複数のパルス光を出力し、第２の通信端末において、受信パルス光から選択されたパルス光のみの減衰および変調処理を実行し、減衰パルス光と非減衰パルス光とを第１の通信端末に返信し、第１の通信端末において、減衰パルス光と非減衰パルス光とを受信し、該減衰パルス光と非減衰パルス光に基づく干渉測定による通信情報の解析を実行する構成としたので、第２の通信端末におけるパルス光の選択的な減衰処理によってホモダイン検出において適用可能な信号光とＬＯ光とを生成し、これらの信号光とＬＯ光とに基づく干渉検出による情報通信が可能となる。
【０１３２】
さらに、本発明によれば、第１の通信端末は、パルス光の出力処理において、通信路上に出力する時間差を持つ２つのパルス光の各々を第１の通信端末内の異なる経路を通過させた後、通信路に出力し、第２の通信端末から受信する２つのパルス光に対応する減衰パルス光と非減衰パルス光とを、パルス光の出力時に各パルス光が通過した経路を相互に入れ替えて通過させて、各パルス光の通信端末間の往復経路を一致させて各パルス光に基づく干渉測定を実行する構成としたので、通信路を構成する光ファイバーあるいは自由空間における光の偏光状態の乱れや光路長のずれが解消され正確な信号検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１３３】
【図１】量子暗号処理を適用した情報通信処理について説明する図（その１）である。
【図２】量子暗号処理を適用した情報通信処理について説明する図（その２）である。
【図３】量子暗号処理を適用した情報通信処理について説明する図（その３）である。
【図４】量子暗号処理を適用した情報通信処理について説明する図（その４）である。
【図５】量子暗号処理を適用した情報通信処理について説明する図（その５）である。
【図６】本発明に係る量子暗号通信装置の構成を示す図である。
【図７】本発明に係る量子暗号通信装置適用した情報通信処理について説明する図（その１）である。
【図８】本発明に係る量子暗号通信装置適用した情報通信処理について説明する図（その２）である。
【図９】本発明に係る量子暗号通信装置適用した情報通信処理について説明する図（その３）である。
【図１０】本発明に係る量子暗号通信装置におけるサーキュレータとビームスプリッタの代替構成を示す図である。
【図１１】本発明に係る量子暗号通信装置を適用した波長分割多重通信処理構成を説明する図である。
【符号の説明】
【０１３４】
１０  送信者
１１  変調器
２０  受信者
２１  観測器
３０  通信路
１００  通信端末
１０４  光源
１０５  サーキュレータ
１０６  ビームスプリッタ
１０７  位相変調器
１０８  遅延器
１０９  ビームスプリッタ
１１０  検出器
１１１  偏光ビームスプリッタ
１１２  ホモダイン検出器
１１９  コントローラ
２００  通信端末
２１３  ビームスプリッタ
２１４  遅延器
２１５  位相変調器
２１６  可変減衰器
２１７  ファラデーミラー
２１８  検出器
２２０  コントローラ
３００  通信路
４１０  サーキュレータ構成装置
４１１  偏光子
４１２  １／２波長板
４１３  偏光ビームスプリッタ
４１４  ファラデーローテータ
４２０  ビームスプリッタ構成装置
４２１  偏光ビームスプリッタ
４２２  １／２波長板
４２３  偏光ビームスプリッタ
４３１  １／２波長板
５１１〜５１ｎ  通信端末
５２１〜５２ｎ  通信端末
５３１，５４１  波長分割多重処理装置
５５１  通信路
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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