(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
データを電磁ビーム上に暗号化する方法であって、
モードを生成する部分が、モード状態を有し、幾何学位相の累積を感受する信号成分と、基準成分とを有する電磁ビームを供給する段階と、
幾何学位相を加える部分が、前記信号成分が、第１のモード状態から第２のモード状態へ、該第２のモード状態から少なくとも１つの更なるモード状態へ、次いで前記第１のモード状態への当該信号成分のモード状態の転換によって幾何学位相を累積するところの経路の少なくとも一部にわたって該経路に沿って前記ビームを送信する段階と、
前記幾何学位相を加える部分が、前記モード状態の転換を変調することによって、そのように累積された前記幾何学位相を前記データにより変調する段階とを有し、
前記幾何学位相の少なくとも一部は送信器で累積され、前記幾何学位相の少なくとも他の一部は受信器で累積される、方法。
【請求項２】
電磁ビームからデータを復号化する方法であって、
（ｉ）幾何学位相を検出する部分が、モード状態を有し、幾何学位相の累積を感受する信号成分と、基準成分とを有し、前記信号成分が、第１のモード状態から第２のモード状態へ、該第２のモード状態から少なくとも１つの更なるモード状態へ、次いで前記第１のモード状態への当該信号成分のモード状態の転換によって幾何学位相を累積するところの経路の少なくとも一部にわたって該経路に沿って送信される幾何学ビームを受け取る段階を有し、前記累積された幾何学位相は、前記モード状態の転換を変調することによって前記データにより変調され、
（ｉｉ）前記幾何学位相を検出する部分が、前記変調を回復するように前記基準成分の位相全体と前記信号成分の位相全体とを比較する段階を更に有し、
前記幾何学位相の少なくとも一部は送信器で累積され、前記幾何学位相の少なくとも他の一部は受信器で累積される、方法。
【請求項３】
データを電磁ビーム上に暗号化する装置であって、
モード状態を有し、幾何学位相の累積を感受する信号成分と、基準成分とを前記電磁ビームにおいて生成するよう配置される複数の光学要素と、
前記信号成分のモード状態を、第１のモード状態から第２のモード状態へ、該第２のモード状態から少なくとも１つの更なるモード状態へ、次いで前記第１のモード状態へと転換させるよう配置される複数の光学要素と、
前記光学要素の少なくとも１つへ接続され、前記信号成分のモード状態を前記データにより変調するよう配置される変調器とを有し、
前記幾何学位相の少なくとも一部は送信器で累積され、前記幾何学位相の少なくとも他の一部は受信器で累積される、装置。
【請求項４】
前記ビームの経路にある光学要素を駆動するよう配置される変調器回路を有し、これにより、前記ビームの前記信号成分のモード状態は、前記変調器回路によって駆動される前記光学要素の運動によって変調される、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記信号成分のランダムなモード状態変化又は前記信号成分と前記基準成分との間のランダムな相対位相変化を与えるよう配置される当該装置内の光学要素へ接続されるランダム位相発生器を有する、請求項３又は４記載の装置。
【請求項６】
電磁ビームからデータを復号化する装置であって、
モード状態を有し、幾何学位相の累積を感受する信号成分と、基準成分とを有し、前記信号成分が、第１のモード状態から第２のモード状態へ、該第２のモード状態から少なくとも１つの更なるモード状態へ、次いで前記第１のモード状態への当該信号成分のモード状態の転換によって幾何学位相を累積するところの経路の少なくとも一部にわたって該経路に沿って送信される幾何学ビームを受け取る装置を有し、前記累積された幾何学位相は、前記モード状態の転換を変調することによって前記データにより変調され、
前記信号成分のモード状態を変更するよう配置される複数の光学要素と、
前記変調を回復するように前記基準成分の位相全体と前記信号成分の位相全体とを比較するよう配置される復調器とを更に有し、
前記幾何学位相の少なくとも一部は送信器で累積され、前記幾何学位相の少なくとも他の一部は受信器で累積される、装置。
【請求項７】
前記ビームの経路にある光学要素を駆動するよう配置される変調器回路を有し、これにより、前記信号成分の軌道角運動量状態は、前記変調器回路によって駆動される前記光学要素の運動によって変調される、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記信号成分のランダムなモード状態変化又は前記信号成分と前記基準成分との間のランダムな相対位相変化を相殺するよう配置される当該装置内の光学要素へ接続され、復号化されるデータの検出器及びランダム位相発生器から入力を受け取るフィードバックループを有する、請求項６又は７記載の装置。
【請求項９】
電磁ビームからデータを復号化する方法であって、
（ｉ）幾何学位相を検出する部分が、第１の軌道角運動量モード及び第２の軌道角運動量モードを有し、該第１及び第２の軌道角運動量モードの少なくとも１つが、前記データによって変調された前記第１の軌道角運動量モードの幾何学位相を累積するところの経路の少なくとも一部にわたって該経路に沿って送信された幾何学ビームを受け取る段階と、
（ｉｉ）前記幾何学位相を検出する部分が、前記幾何学位相の変調を回復するように前記第１の軌道角運動量モードの位相全体と前記第２の軌道角運動量モードの位相全体とを比較する段階とを有し、
前記幾何学位相の少なくとも一部は送信器で累積され、前記幾何学位相の少なくとも他の一部は受信器で累積される、方法。
【請求項１０】
暗号化されたデータを伝達する方法であって、
（１）モードを生成する部分が、第１の軌道角運動量成分及び第２の軌道角運動量成分を有するビームを生成する段階と、
（２）ランダム位相発生器が、軌道角運動量成分の間のランダムな又はデータ状の差動位相を前記ビームへ加える段階と、
（３）幾何学位相を加える第１の部分が、前記データを暗号化すべき幾何学位相を加える第２の部分へ前記ビームを送信する段階と、
（４）前記幾何学位相を加える第１の部分が、前記幾何学位相を加える第２の部分から返された前記ビームを受け取る段階と、
（５）フィードバックシステムが、前記第１の軌道角運動量成分と前記第２の軌道角運動量成分との間の位相の平衡を保ち且つ等しくするように、前記段階（３）及び（４）の間で累積されたあらゆる経路依存位相差及び前記付加された差動位相の結合を補償する段階と、
（６）幾何学位相を加える第３の部分が、前記第１の軌道角運動量成分と前記第２の軌道角運動量成分との間の付加的なデータ差動（幾何学）位相として前記幾何学位相を加える第２の部分によって前記ビーム上に暗号化されたデータを含む前記ビームを前記幾何学位相を加える第２の部分から更に受け取る段階と、
（７）幾何学位相を検出する部分が、前記段階（５）の補償を繰り返して、前記第１の軌道角運動量成分と前記第２の軌道角運動量成分との間の残留位相差として前記データを取り出す段階とを有し、
前記幾何学位相の少なくとも一部は送信器で累積され、前記幾何学位相の少なくとも他の一部は受信器で累積される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セキュア通信に関する。より具体的には、本発明は、電磁ビーム上へのデータの暗号化に関する。
【背景技術】
【０００２】
データのセキュア送信は、社会においてますます重要になりつつある。個人データ、商業及び金融の情報並びに暗号化キーそれ自体は異なる場所の間で送信され、傍受の危険性が最小限であること（望ましくは皆無であること）が望まれている。様々な暗号化方式が送信データを保護すべく提案されている。
【０００３】
このような方式の一例として、原理上完全なるセキュア送信を提供することが可能な量子暗号がある。ほとんどの最近の暗号化方法が、ある数学的関数を計算する困難さに依存する一方で、量子暗号は物理的現象に基づく。量子暗号の従来の目的は、機密メッセージの暗号化（及び復号化）におけるキーとしての使用のためにランダムなデータ列を共有することである。すなわち、暗号化それ自体は、通常は、適切なアルゴリズムを用いて実行される。その場合に、暗合化されたメッセージは、オープンな（公開されている）通信チャネルを介して安全に送信され得る。
【０００４】
量子論によれば、システムにおけるオブザーバブルの測定は、特に、２つのオブザーバブルが非可換演算子によって記述される場合に、システムに支障をきたす。２つのこのようなオブザーバブルの例には、量子の偏光状態、例えば、一方で、垂直／水平状態及び、他方で、４５度／１３５度対角状態がある。量子系はもつれ合わされ得（entangled）、これによって、２又はそれ以上の対象の量子状態は結び付けられ、たとえ相当の距離があっても、対象が互いから分離される場合でさえ結び付けられたままである。
【０００５】
かかる現象は、傍受の如何なる試みも検出する量子通信システムの構築を可能にし、更に、傍受によって汚された如何なるデータも拒否することによって、確実に安全な状況下でのキーの送信を可能にする。このようにして、量子暗号システムの一種類において、光子偏光はキーを構成するために使用され、傍受によって汚されたビットは拒絶される。
【０００６】
他の種類では、もつれ合わされた光子が使用される。光子のもつれ合わされた対の１つは、受信器へ送信される。測定は、システム送信器端及び受信器端で、もつれ合わされた光子に対して実行され、かかる試験の結果は、セキュアキーを構成するために使用される。
【０００７】
しかし、現在、量子暗号は、例えば、距離（単一の光子の送信の必要性に起因する。）、低ビットレート、ジャミングに対する脆弱性、及び実用的な動作システムを実施する相当の困難性のような、多数の制限を欠点とする。
【０００８】
量子力学効果を利用する他の研究分野は、量子計算の分野である。量子計算では、例えば量子もつれ（entanglement）のような量子物理学の現象は、データの演算を行うために使用される。量子計算のために光の偏光を使用する欠点は、光の偏光が単一ビット計算にのみ適することである。すなわち、光の如何なる偏光状態も、２つの直交する偏光状態の重ね合わせとして記載され得る。Ｅ．Ｊ．ガルベス等は、Ｎビット量子計算で使用される装置について記載している（“Geometric  phase  associated  with  mode  transformation  of  optical  beams  bearing  orbital  angular  momentum（軌道角運動量を有する光ビームのモード転換に関連する幾何学位相）”、フィジカル・レビュー・レター誌、９０（２０）、２０３９０１、２００３年参照。）。
【０００９】
ガルベスの装置の動作を理解するために、最初に、ストークス空間におけるポアンカレ球を考えなければならない（図１）。通常、このようなポアンカレ球は、光ビームの偏光の状態を表すために使用される。
【００１０】
３次元ストークス空間では、偏光は３つの相互に直交する座標Ｓ１、Ｓ２及びＳ３によって記述される。これらの座標は３つのストークスベクトルを形成する。如何なる偏光も、３つのストークスベクトルの組み合わせとして表現可能である。完全に偏光された信号又は光ビームに関し、光Ｓ０の強度は、式Ｓ０２＝Ｓ１２＋Ｓ２２＋Ｓ３２によって与えられる。一定の強度に関し、かかる式は球の方程式である。従って、一定強度の光ビームの可能な偏光は、ストークス空間における球の表面の軌跡を形成する。
【００１１】
偏光は、量子力学スピンと等しく、故に、角運動量のディメンジョンを有する。従って、Ｍ．Ｊ．パジェット及びＪ．クールシャルは、ポアンカレ球が、光ビームの軌道角運動量の状態を表すためにも使用され得ることを教示している（“Poincare-sphere  equivalent  for  light  beams  containing  orbital  angular  momentum（軌道角運動量を有する光ビームの等価ポアンカレ球）”、オプティクス・レター誌、２４（７）、４３０頁、１９９９年参照。）。かかる状態は、偏光のモードに似たモードの組を形成する。
【００１２】
より高次のエルミートガウス（ＨＧ）モード及びラゲールガウス（ＬＧ）モードを、図２のポアンカレ球２０で表す。ＨＧモードは、線形偏光に類似し、ポアンカレ球の赤道上にある。一方、（円偏光に類似する）２つのＬＧモードはポアンカレ球の極にある。
【００１３】
ポアンカレ球の対称性に従うモード又はグループに関し、ポアンカレ球の表面上の閉じられた輪郭経路（すなわち、モード又はグループを初期状態から離し、再び戻す転換動作の組）は、球の中心で閉じられた輪郭経路によって範囲を定められる立体角によって与えられる幾何学位相をもたらす。幾何学位相の効果は、トポロジー効果による位相累積（accumulation）である。適切な対称性を示さないモード又はグループは、同じ組の転換動作を受ける場合に、幾何学位相を生じない。
【００１４】
閉じられた輪郭によって範囲を定められる立体角は、方位角２θ及び仰角φに関する二重積分によって与えられる（図２）。ここで、実空間での方位角θはストークス空間では２θに変換される。
【００１５】
図２のポアンカレ球上には、閉じられた輪郭経路Ａ−Ｂ−Ｃが図示されている。その開始位置は南極、モードＬＧ０＋１である。第１の転換では、仰角φは、モードが、赤道上にあるよう経路Ａを横断し、モードＨＧ０１になる（説明を簡単にするため、厳密なＨＧモードは任意である。）ように、π／２だけ増大する。次に、第２の転換では、実空間における方位角は、モードが、依然として赤道上にあって、軌道Ｂを横断し、概して、ＨＧ０１及びＨＧ１０の混合状態、すなわち、ＨＧ０１ｃｏｓθ＋ＨＧ１０ｓｉｎθになるように、θ（ポアンカレ球上では２θに相当）だけ回転する。最後に、仰角φは、モードが、経路Ｃをたどって、再び南極に到達し、関連する幾何学位相Ωを得ながら、閉じられた輪郭軌跡完成させるように、−π／２だけ減少する。
【００１６】
（原則的にはガルベスの量子計算装置である）図３は、どのようにしてこのような方位角及び仰角の変化が実際に実現され得るかを示す。この装置は、３つの部分、すなわち、軌道角運動量モードを生成する部分３０、幾何学位相を加える部分４０、及び加えられた幾何学位相を検出する部分５０から構成されると考えることができる。
【００１７】
幾何学位相を加える部分４０は、平行な軸を有する円柱レンズの第１の対６０と、第１及び第２のドーププリズム７０、８０と、平行な円柱レンズの第２の対９０とを有する（図４）。これらの構成要素は全て、光がそれらの夫々を順に通過するように、共通の光軸１００に載せられている。円柱レンズ６０、９０は、それらが夫々光軸１００に関する角度により回転され得るように、作動回転台に取り付けられる。第１のドーブプリズム７０は、光軸１００に直交する角度に関して角度θ／２により回転され得るように、作動回転台に取り付けられる。
【００１８】
角度π／４による円柱レンズの第１の対６０の軸回転は、方位角φにおいて必要とされるπ／２の位相変化を引き起こし、ＬＧモードとＨＧモードとの間を変換する。円柱レンズの第２の対の軸回転は、再びモードを戻す変換を生じさせる。第１のドーブプリズム７０は、角度θによってモードを空間的に回転させるように、第２のドーブプリズム８０に対して角度θ／２で軸方向に位置付けられる。ここで、先に述べたように、これは、関連するストークス空間で角度２θをもたらす。
【００１９】
図５は、どのようにして光の２つのモード、すなわち、幾何学位相変調を受ける第１のモード及び如何なる幾何学位相変化も受けない第２のモードの多重化が実現されるかを示す。軌道角運動量モードを生成する部分３０は、単一位相ライン転位を示すＣＧ（computer-generated）ホログラム（ＣＧＨ）（図５（ｂ）参照。原則的には、その中心での位相特異点。）と、一対のビーム分配器ＢＳ１、ＢＳ２と、一対の鏡Ｍ１及びＭ２と、一対の虹彩絞りとを有する。
【００２０】
ＣＧＨは、平行な最低次のガウス光ビーム、すなわち、ＬＧ００モードの前に配置される。ＣＧＨは、光を複数の次数に分散（回折）するよう動作する。０次（非回折）の光は、入射ビームと同じであり、光の最低次ＬＧ００モードのままである。一次回折光はＬＧ０＋１モード及びＬＧ０−１モードであり、夫々＋１次及び−１次を構成する。回折された次数は、電力ビーム分配キューブＢＳ１に入り、結果として生じる２つの光学経路の夫々における所望の次数は、空間フィルタリングによって、すなわち、夫々の経路にある虹彩絞りによって選択される。０次の光は、（鏡Ｍ１から反射される）第１の経路を通ることが可能である。一方、＋１次の回折光しか、（鏡Ｍ２から反射され）第２の経路を通ることができない。２つの空間フィルタをかけられたビームは、鏡Ｍ１及びＭ２によって夫々第２の電力ビーム分配キューブＢＳ２上に反射される。第２の電力ビーム分配キューブＢＳ２は、２つの選択されたモードＬＧ００及びＬＧ０＋１を一体化するよう動作する。次いで、２つのモードは、幾何学位相を加える部分４０（図４）へ移動する。ＬＧ００モードは、ここでは幾何学位相変調を受けない。一方、より高いＯＡＭモードＬＧ０＋１は、上述されたように、幾何学的に位相変調をされる。
【００２１】
ガルベスによる文献に記載されるように、幾何学位相は、幾何学位相を加える部分４０からの出力をＣＣＤカメラに直接的に画像化して、ＬＧ００モード及びＬＧ０＋１モードの重ね合わせにより生じる干渉パターンの相対的な回転を表すことによって、（加えられた幾何学位相を検出する部分５０において）検出される。
【非特許文献１】Ｅ．Ｊ．ガルベス等著、“Geometric  phase  associated  with  mode  transformation  of  optical  beams  bearing  orbital  angular  momentum（軌道角運動量を有する光ビームのモード転換に関連する幾何学位相）”、フィジカル・レビュー・レター誌、９０（２０）、２０３９０１、２００３年
【非特許文献２】Ｍ．Ｊ．パジェット及びＪ．クールシャル著、Poincare-sphere  equivalent  for  light  beams  containing  orbital  angular  momentum（軌道角運動量を有する光ビームの等価ポアンカレ球）”、オプティクス・レター誌、２４（７）、４３０頁、１９９９年参照
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、先行技術の暗号化システムに伴う上記問題の少なくとも幾つかを改善する暗号化方法及び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】
【００２３】
第１の態様で、本発明は、データを電磁ビーム上に暗号化する方法であって、
モード状態を有し、幾何学位相の累積を感受する信号成分と、基準成分とを有する電磁ビームを供給する段階と、
前記信号成分が、第１のモード状態から第２のモード状態へ、該第２のモード状態から少なくとも１つの更なるモード状態へ、次いで前記第１のモード状態への当該信号成分のモード状態の転換によって幾何学位相を累積するところの経路の少なくとも一部にわたって該経路に沿って前記ビームを送信する段階と、
前記モード状態の転換を変調することによって、そのように累積された前記幾何学位相を前記データにより変調する段階とを有する方法を提供する。
【００２４】
前記電磁ビームは、例えば、光ビーム、赤外線ビーム、マイクロ波ビーム又はミリ波ビームでありうる。
【００２５】
前記幾何学位相の少なくとも一部は送信器で累積され得る。すなわち、モード状態転換の少なくとも一部は送信器で行われ得る。前記幾何学位相の少なくとも一部は受信器で累積される。すなわち、前記幾何学位相の一部は送信器側で累積され、前記幾何学位相の一部は受信器側で累積される。すなわち、前記幾何学位相の全ては送信器及び受信器で累積される（すなわち、前記幾何学位相のいずれも他の場所で累積されない。例えば、前記幾何学位相のいずれも、送信器と受信器との間の伝播の間は累積されない。）。
【００２６】
本発明の具体的な実施形態に関してここで記載される例から明らかであるように、意味上、“送信器”及び“受信器”は、当該方法の異なる段階で役割を交替することができる。例えば、幾つかの実施例において、セキュア通信チャネルは、便宜上“アリス”及び“ボブ”と呼ばれる２人の人間の間で確立される。アリスは、最終的に、ボブへ当該チャネルを介してメッセージを送信する者であるが、幾何学位相をもたらすビームの送信を開始するのはボブであっても良い。このようにして、ボブはアリスへビームを送ることができる。アリスは、そのビームをボブへ返すことができる。幾何学位相は、ボブの装置で、アリスの装置で、又は、一部がボブの装置で、そして一部がアリスの装置で取得され得る。アリス又はボブのいずれか一方は、信号成分の幾何学位相においてキーを符号化するためにビームを変調することができる。次いで、ボブ又はアリスのいずれか一方（すなわち他方）は、ビームから位相変調を取り出すことによってキーを取り出すことができる。その場合に、アリス及びボブの両人がキーを有し、故に、その場合に、いずれか一方は、メッセージを暗号化すべくキーを用いて、機密メッセージの送信を開始することができる。このようにして、その例となる方法の間、アリス及びボブの両人は、送信器及び受信器の両方として自身の装置を使用している。当業者は、概して、ある特定の状況下で、装置が送信器、受信器、又はその両方として使用されているかどうかを理解することができるであろう。
【００２７】
変調は、ビームが経路に沿った伝播を完了する前に行われ得る。すなわち、信号成分によってもたらされる変調された幾何学位相のみが、ビームが経路に沿った伝播を完了した後に測定可能となりうる。このようにして、例えば、前記変調は送信器で起こり得るが、前記変調された幾何学位相は受信器側でのみ測定可能となりうる。
【００２８】
前記電磁ビームの前記基準成分は幾何学位相の累積を感受しないことがある。従って、前記基準成分は幾何学位相を累積しない。
【００２９】
前記信号成分及び前記基準成分は、前記ビームを２つのビームに分け、夫々のビームに空間フィルタリングを行って成分を選択し、選択された成分を再結合して前記ビームを再形成することによって他の成分から分離され得る。
【００３０】
概して、受信器と送信器との間の伝播（すなわち、幾何学位相変化が一般に起こるとは考えられない経路によるビーム伝播）により生ずる位相変化は、それらが共に伝播する場合に、信号成分及び基準成分に関して同じでありうる。従って、信号成分及び基準成分は、受信器と送信器との間の共通の物理的経路に沿って伝播しうる。
【００３１】
前記モード状態は、純然たるモード又はモードの混合でありうる。
【００３２】
前記転換は、第１のモード状態から第２のモード状態へ、第２のモード状態から第３のモード状態へ、次いで第１のモード状態へと戻りうる。
【００３３】
前記基準成分は基本モードにあっても良い。
【００３４】
前記モード転換は、ポアンカレ球上で軌道を形成すると考えることができる。本発明の例となる実施形態がポアンカレ球モデルとの関連で考えられる場合に、当業者には明らかであるように、ポアンカレ球上で閉ループを形成する軌道の閉成は、前記幾何学位相を発生させる動作である。２つの成分（例えば、（ｉ）転換の組の前の信号成分及び（ｉｉ）転換の組の後の信号成分。）の相対位相の比較は、通常は、両成分が同じモード状態にある場合にのみ意味がある。従って、信号成分が第１のモードへ戻る場合には、１又はそれ以上の異なるモードに転換される間に取得した幾何学位相が明らかになる。
【００３５】
前記ループは、当該装置の送信器端で閉じられ得る。代替的に、前記ループは、当該装置の受信器端で閉じられても良い。このようにして、後者の場合には、送信器と受信器との間でビームを傍受する傍受者は、信号成分及び基準成分の位相の有用な比較を行うことができない。それは、これらの成分が適切なモード状態にないためである。この例となる実施形態では、前記ループが受信器側で閉じられる場合にのみ、すなわち、ビームが安全に傍受の危険性を通過した後にのみ、前記幾何学位相は測定可能となる。
【００３６】
前記信号成分及び前記基準成分のモード状態は軌道角運動量モード状態でありうる。従って、前記変調は、ビームの信号成分の軌道角運動量のデータによる変調でありうる。
【００３７】
前記基準成分は、零軌道角運動量を有しても良い。
【００３８】
前記信号成分は、第１の軌道角運動量モード状態から別の軌道角運動量モード状態に、次いで、少なくとも１つの更なる別の軌道角運動量モード状態に、次いで、前記第１の軌道角運動量モード状態に転換され得る。このように、モード状態の転換は、ポアンカレ球上で閉ループを形成する。前記信号成分は、１以上の次数のラゲールガウスモード、例えばＬＧ０＋１モードとして始まる。前記信号成分は、当該方法の間に、エルミートガウスモード、例えばＨＧ０１モード、ＨＧ１０モード、又はＨＧ０１モード及びＨＧ１０モードの混合状態に転換しうる。前記信号成分は、当該方法の間に、エルミートガウスモードからラゲールガウスモードへ、例えばＨＧ０１モード、ＨＧ１０モード、又はＨＧ０１モード及びＨＧ１０モードからＬＧ０＋１モードへ転換しうる。
【００３９】
前記基準成分は、ラゲールガウスモード、例えばＬＧ００モードとして始まることができる。前記基準成分は、当該方法の全体を通してＬＧ００モードのままでありうる。
【００４０】
前記信号成分は、平行な軸を有する円柱レンズの対を用いて転換され得る。
【００４１】
前記信号成分は、互いに相対的な角度で配置されるドーブプリズムの対を用いて転換され得る。
【００４２】
前記角度は、ビームの方向に関する。
【００４３】
前記幾何学位相は、（ｉ）平行な軸を有する円柱レンズの第１の対と、（ｉｉ）ドーブプリズムの少なくとも１つの対と、（ｉｉｉ）平行な軸を有する円柱レンズの第２の対とを通る通路によって累積され得る。（ｉ）乃至（ｉｉｉ）の全ての要素は、当該装置の送信器端にありうる。（ｉ）乃至（ｉｉｉ）の要素のうち少なくとも１つは、（更に又は代替的に）当該装置の受信器端にありうる。このとき、残りの要素は、当該装置の送信器端にありうる。このようにして、前記幾何学位相の生成は、送信器及び受信器の夫々に分配され得る。
【００４４】
前記軌道角運動量モード状態の変調は、前記ビームの経路にある光学装置を駆動する変調器回路を用いて達成され得、これにより、信号成分の軌道角運動量状態は、前記変調器回路によって駆動される前記光学装置の運動によって変調される。
【００４５】
更なる保護層は、前記信号成分及び前基準成分のランダム位相変化を第１の送信器で与えることによって提供され得る。前記ランダム位相変化は、例えば、１ｓ及び０ｓの連続（例えば、連続する＋π／２及び−π／２の位相シフト。）のようなデータ状のシーケンスでありうる。ビームは、前記第１のビームから受信器へ送信され得る。このとき、データは前記ビーム上に暗号化され得る。そして、前記ビームは、前記第１の送信器へ送り返される。次いで、前記ランダム位相変化は、前記第１の送信器において前記ビームから取り除かれ得る。暗号化されたデータを含む前記ビームを傍受する傍受者は、前記データを区別するために、前記ビームからランダム位相を取り除く付加的な作業を抱えることとなる。
【００４６】
より高次の軌道角運動量成分は、２次元格子を用いて生成され得る。
【００４７】
第２の態様で、本発明は、電磁ビームからデータを復号化する方法であって、
（ｉ）モード状態を有し、幾何学位相の累積を感受する信号成分と、基準成分とを有し、前記信号成分が、第１のモード状態から第２のモード状態へ、該第２のモード状態から少なくとも１つの更なるモード状態へ、次いで前記第１のモード状態への当該信号成分のモード状態の転換によって幾何学位相を累積するところの経路の少なくとも一部にわたって該経路に沿って送信される幾何学ビームを受け取る段階を有し、前記累積された幾何学位相は、前記モード状態の転換を変調することによって前記データにより変調され、
（ｉｉ）前記変調を回復するように前記基準成分の位相全体と前記信号成分の位相全体とを比較する段階を更に有する方法を提供する。
【００４８】
前信号成分の位相全体は、当然、前記累積された幾何学位相を含みうる。
【００４９】
前基準成分は基本モードにあっても良い。例えば、それは零軌道角運動量を有しうる。すなわち、前記基準成分は幾何学位相をもたらさない。
【００５０】
前記変調は、検出器に前記ビームの焦点を合わせ、前記信号成分と前記基準成分との間の干渉により生ずる干渉パターンを観測することによって回復され得る。
【００５１】
前記累積された幾何学位相は、暗号化相の間に対応する要素に対してされた配置変更を補償するように光学要素の幾何学的配置を変化させることによって取り除かれ得る。
【００５２】
前記累積された幾何学位相は、（ｉ）平行な軸を有する円柱レンズの第１の対と、（ｉｉ）ドーブプリズムの対と、（ｉｉｉ）平行な軸を有する円柱レンズの第２の対とを通る通路によって、復号化の前に取り除かれ得る。
【００５３】
前記幾何学位相は、平行な軸を有する円柱レンズの対を用いることによって、前記ビームを受け取った後に変更され得る。
【００５４】
前記幾何学位相は、互いに相対的な角度で配置されるドーブプリズムの対を用いることによって、前記ビームを受け取った後に変更され得る。前記角度は、ビームの方向に関する。
【００５５】
前記モード状態は、純然たるモード又はモードの混合でありうる。
【００５６】
前記信号成分及び前記基準成分のモード状態は軌道角運動量モード状態でありうる。従って、前記変調は、ビームの信号成分の軌道角運動量のデータによる変調でありうる。
【００５７】
より高次の軌道角運動量成分は、前記信号成分及び前記基準成分を生成するために用いられる格子に相当する２次元格子を用いて取り除かれ得る。
【００５８】
前記信号成分及び前記基準成分は、前記ビームを２つのビームに分け、夫々のビームに空間フィルタリングを行って成分を選択し、選択された成分を再結合して前記ビームを再形成することによって他の成分から分離され得る。
【００５９】
当該方法は、前記信号成分のランダムなモード状態変化又は前記信号成分と前記基準成分との間のランダムな相対位相変化を与える段階を有することができる。当該方法は、前記信号成分の幾何学位相に変調されたデータを有して前記受信器からビームを返される前に、前記ランダムな変化を伴う前記信号成分を含むビームを前記受信器へ送信する段階を有することができる。このようにして、ビームは、前記受信器へ前記ランダムな変化を有して送信され、前記ランダムな変化及び前記幾何学位相変調とともに前記受信器から返され得る。その場合に、当該方法は、前記信号成分から前記ランダムな変化を取り除く段階を有することができる。このようにして、前記ランダムな変化の除去は、前記幾何学位相の実際の姿を現す。
【００６０】
本発明の第３の態様は、データを電磁ビーム上に暗号化する装置であって、
モード状態を有し、幾何学位相の累積を感受する信号成分と、基準成分とを前記電磁ビームにおいて生成するよう配置される複数の光学要素と、
前記信号成分のモード状態を、第１のモード状態から第２のモード状態へ、該第２のモード状態から少なくとも１つの更なるモード状態へ、次いで前記第１のモード状態へと転換させるよう配置される複数の光学要素と、
前記光学要素の少なくとも１つへ接続され、前記信号成分のモード状態を前記データにより変調するよう配置される変調器とを有する装置を提供する。
【００６１】
前記信号成分及び／又は前記基準成分は２次元格子を用いて生成され得る。この格子は、コンピュータによって生成されるホログラム（ＣＧＨ）でありうる。この格子は、１又はそれ以上の位相ライン転位を有しうる。
【００６２】
当該装置は、
前記ビームを２つのビームに分けるよう配置されるビーム分配器と、
前記信号成分及び前記基準成分を選択するよう夫々のビームに空間フィルタをかけるフィルタと、
前記ビームを再形成するよう前記選択された成分を再結合するビーム分配器とを有することができる。
【００６３】
当該装置は、平行な軸を有する円柱レンズの対を有した、前記信号成分の軌道角運動量状態を変更するよう配置される複数の光学要素を有することができる。
【００６４】
当該装置は、平行な軸を有する円柱レンズの第２の対を更に有することができる。
【００６５】
当該装置は、互いに相対的な角度で配置されるドーブプリズムの対を有した、前記信号成分の軌道角運動量状態を変更するよう配置される複数の光学要素を有することができる。前記角度は、ビームの方向に関する。
【００６６】
当該装置は、前記ビームの経路にある光学要素を駆動するよう配置される変調器回路を有することができる。これにより、前記ビームの前記信号成分のモード状態は、前記変調器回路によって駆動される前記光学要素の運動によって変調される。
【００６７】
当該装置は、前記信号成分のランダムなモード状態変化又は前記信号成分と前記基準成分との間のランダムな相対位相変化を与えるよう配置される当該装置内の光学要素へ接続されるランダム位相発生器を有することができる。
【００６８】
当該装置は光サーキュレータを有することができる。
【００６９】
当該装置は、前記ビームから前記データを復号化する装置を更に有することができる。
【００７０】
本発明の第４の態様は、電磁ビームからデータを復号化する装置であって、
モード状態を有し、幾何学位相の累積を感受する信号成分と、基準成分とを有し、前記信号成分が、第１のモード状態から第２のモード状態へ、該第２のモード状態から少なくとも１つの更なるモード状態へ、次いで前記第１のモード状態への当該信号成分のモード状態の転換によって幾何学位相を累積するところの経路の少なくとも一部にわたって該経路に沿って送信される幾何学ビームを受け取る装置を有し、前記累積された幾何学位相は、前記モード状態の転換を変調することによって前記データにより変調され、
前記信号成分のモード状態を変更するよう配置される複数の光学要素と、
前記変調を回復するように前記基準成分の位相全体と前記信号成分の位相全体とを比較するよう配置される復調器とを更に有する装置を提供する。
【００７１】
当該装置は、前記データを前記ビーム上に暗号化する装置で使用される光学要素のいずれかの適切な組み合わせを有することができる。
【００７２】
当該復号化装置は、光ファイバによって前記暗号化装置へ接続され得る。
【００７３】
当該復号化装置は、ファイバから現れる軌道角運動量状態の間の干渉により生ずる干渉パターンを検出するよう配置される検出器を有することができる。前記信号成分は２次元格子を用いて縮退され得る。この格子は、コンピュータによって生成されるホログラム（ＣＧＨ）でありうる。この格子は、１又はそれ以上の位相ライン転位を有しうる。
【００７４】
当該装置は、平行な軸を有する円柱レンズの対を有した、前記信号成分の軌道角運動量状態を変更するよう配置される複数の光学要素を有することができる。
【００７５】
当該装置は、互いに相対的な角度で配置されるドーブプリズムの対を有した、前記信号成分の軌道角運動量状態を変更するよう配置される複数の光学要素を有することができる。前記角度はビームの方向に関する。
【００７６】
当該装置は、平行な軸を有する円柱レンズの第２の対を有することができる。
【００７７】
当該装置は、前記ビームの経路にある光学要素を駆動するよう配置される変調器回路を有することができる。これにより、前記信号成分の軌道角運動量状態は、前記変調器回路によって駆動される前記光学要素の運動によって変調される。
【００７８】
当該装置は、前記信号成分及び前記基準成分を単一のモードに結合するよう配置される複数の光学要素を有することができる。
【００７９】
当該装置は、復号化されるデータの検出器及びランダム位相発生器から入力を受け取ることができるフィードバックループを有することができる。このフィードバックループは、前記信号成分のランダムなモード状態変化又は前記信号成分と前記基準成分との間のランダムな相対位相変化を相殺するよう配置される当該装置内の光学要素へ接続され得る。
【００８０】
本発明の第５の態様は、電磁ビームからデータを復号化する方法であって、
（ｉ）第１の軌道角運動量モード及び第２の軌道角運動量モードを有し、該第１及び第２の軌道角運動量モードの少なくとも１つが、前記データによって変調された前記第１の軌道角運動量モードの幾何学位相を累積するところの経路の少なくとも一部にわたって該経路に沿って送信された幾何学ビームを受け取る段階と、
（ｉｉ）前記幾何学位相の変調を回復するように前記第１の軌道角運動量モードの位相全体と前記第２の軌道角運動量モードの位相全体とを比較する段階とを有する方法を提供する。
【００８１】
本発明の第６の方法は、暗号化されたデータを伝達する方法であって、
（１）第１の軌道角運動量成分及び第２の軌道角運動量成分を有するビームを生成する段階と、
（２）軌道角運動量成分の間のランダムな又はデータ状の差動位相を前記ビームへ加える段階と、
（３）前記データを暗号化すべき人へ前記ビームを送信する段階と、
（４）前記人から返された前記ビームを受け取る段階と、
（５）前記第１の軌道角運動量成分と前記第２の軌道角運動量成分との間の位相の平衡を保ち且つ等しくするように、前記段階（３）及び（４）の間で累積されたあらゆる経路依存位相差及び前記付加された差動位相の結合を補償する段階と、
（６）前記第１の軌道角運動量成分と前記第２の軌道角運動量成分との間の付加的なデータ差動（幾何学）位相として前記人によって前記ビーム上に暗号化されたデータを含む前記ビームを前記人から更に受け取る段階と、
（７）前記段階（５）の補償を繰り返して、前記第１の軌道角運動量成分と前記第２の軌道角運動量成分との間の残留位相差として前記データを取り出す段階とを有する方法を提供する。
【００８２】
上記の（１）乃至（７）の１又はそれ以上の段階は、並行して実行され得る。例えば、段階（５）、（６）又は（７）は並行して実行され得る。
【００８３】
当然のことながら、（いずれの場合にも、当業者の常識により別な方法で定められない限り、）本発明の方法に関して記載される本発明の特徴は、同様に本発明の装置に適用可能であり、またその逆も可能であり、同じく、暗号化に関して記載される本発明の特徴は、復号化に適用可能であり、またその逆も可能である。
【発明の効果】
【００８４】
本発明の実施形態により、先行技術の暗号化システムに伴う上記問題の少なくとも幾つかを改善する暗号化方法及び装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８５】
以下、本発明の特定の例となる実施形態について、単なる一例として、添付の図面を参照して詳細に記載する。
【００８６】
第１の実施例（図６）は、第１（送信器）の端部で、ガルベスによって記載されるもの（図３）に類似する装置を用いる。しかし、この装置は、変調器回路１２０を更に有する。変調器回路１２０は、第１のドーブプリズム７０の作動装置を駆動し、暗号化されるべきデータ１１０に従ってプリズム７０の角度θ／２を変更する。変調器回路１２０は、幾何学位相に影響を及ぼされる光ビームの軌道角運動量成分（信号成分）の方位角位相を変調する。このようにして、第１のドーブプリズム７０の適切な回転によって、暗号化のためのデータはＬＧ０＋１の上に位相変調される。
【００８７】
第２の平行なレンズの対９０も必要に応じて回転され得る。
【００８８】
変調ＬＧ０＋１モード及び基準モードＬＧ００は、適切なマルチモード光ファイバ１３０に結合され、ファイバ１３０を介して遠隔の受信器５０´へ送信される。この例では、ファイバ１３０の受信器端から発せられる光は、（当然に当該装置に変調器又は送信ファイバがなくとも、ガルベスの量子計算配置と同様の方法で）直接的にフォトダイオード又はＣＣＤカメラ上へ結像される。送信器において信号軌道角運動量成分に付加された（変調を含む）幾何学位相は、ＬＧ００及びＬＧ０＋１モードの重ね合わせにより生ずる干渉パターンの相対的な回転を観測することによって推定される。
【００８９】
以下で記載される本発明の実施例では、データ信号１１０は、再び、第１のドーブプリズム７０及び、必要に応じて、更に第２のレンズ対９０を駆動する変調器１２０によって、送信される光の幾何学位相上に変調される。しかし、説明を簡単にするため、データ信号１１０及び変調器１２０は、対応する図面には図示されない。当然、当業者は、本発明の他の実施例において、変調器がビームの軌道角運動量状態を変調すべくシステムの他の成分を駆動するよう配置され得ることを理解するであろう。このようにして、変調器は、円柱レンズの第１の対６０、第２のドーブレンズ８０、若しくは円柱レンズの第２の対９０、又は例えばファイバ若しくは集積光学系における機能上等価な構成要素を駆動することができる。
【００９０】
本発明の第２の実施例（図７）では、更なる保護層が付加されている。その送信器端では、装置は第１の実施例と同じ構成を有する。しかし、幾何学位相を加える第２の部分１４０が、ファイバ１３０の受信器端で設けられている。
【００９１】
第２の部分では、２つの成分は、円柱レンズの対及びドーブプリズムの第２の組を通される。受信器は、送信器端でＬＧ０＋１モード上に与えられる幾何学位相を“取り消す”ことができる。先と同じく、結果として生じるＬＧ００及びＬＧ０＋１モードは、直接的にフォトダイオード又はＣＣＤ上に結像され、結果として生じる干渉パターンの相対的な回転が観測される。幾何学位相の完全な“取消”が成し遂げられる場合には、干渉パターンの回転は観測されるはずがない。しかし、（例えば、エバネセント場結合又は介在タップの導入によって）傍受しようとする何らかの試みがある場合に、付加的な位相変化は、ＬＧ００モードと比較してＬＧ０＋１上に与えられ得る。その場合に、受信器端では、もはや、傍受しようとする試みの形跡でありうる、２つのモードの間の位相差を無効にすることは容易に可能でないことが分かる。
【００９２】
本発明の第３の実施例（図８）では、その送信器端では、装置は、先と同じく、前出の第１の実施例と同じ構成を有する。しかし、軌道角運動量モードを縮退する第２の部分１６０（部分３０に類似。）が、受信器端で設けられている（図９）。部分１６０では、ファイバ１３０の受信器端からの光は、最初は光の２つのモードを生成するために使用されたＣＧＨのコピー上に結像される。第２のＣＧＨは、第１に同様の方法で光を回折し、結果として生じる回折次数は、電力ビーム分配キューブＢＳ３上に向けられる。虹彩絞りは、先と同じく、特定の回折次数を選択するために使用され、第１の経路はＬＧ００モードの回折０次を選択する。一方、第２の経路は、ＬＧ０＋１モードの−１次を選択する。ＬＧ０＋１モードの−１次を選択することによって、ＣＧＨは、この場合に、ＬＧ０＋１モードを最小次数ＬＧ００に逆変換するよう動作する。すなわち、元のＬＧ０＋１モードに伴うＯＡＭの＋１チャージ（charge）は、ＣＧＨによって与えられるＯＡＭの−１チャージによって無効にされる。このようにして、この場合、位相は異なるが、２つの空間的に同一であるＬＧ００モードが存在する。鏡Ｍ３（又はＭ４）は、元のＬＧ００モードの光学経路が、新たなＬＧ００（以前はＬＧ０＋１）モードと同相で回復するよう変更され得るように、可変テレスコープ配置で位置付けられる。次いで、２つのモードは、ビーム分配器ＢＳ４で再結合され、フォトダイオード上に焦点を合わせられ、それらの間の相対位相が推定される。
【００９３】
これまで記載された全ての実施例で、幾何学位相は、ビームが光ファイバ１３０に入る前に、送信器端で光ビームへ付加される。傍受は、上記の理由により、かかる配置において非常に困難であるが、第４の実施例（図１０）では、更なる保護のレベルが提供される。この例では、ポアンカレ球の表面上の閉じられた輪郭軌道に関連する幾何学位相は、一部が送信器端で、及び一部が受信器端で達成される。一方、先の例では、ＬＧ０＋１モードは、送信器において幾何学位相により変調され、次いで、基準ＬＧ００モードとともに受信器へ送信された。ここでは、ＬＧ０＋１モードに関連する幾何学位相は、ＬＧ０＋１モードが実際に受信器に達した場合にのみ累積される。
【００９４】
本実施例では、システムの送信器端は、先と同じく、軌道角運動量モードを生成する部分３０を有するが、それは、幾何学位相を加える部分４０を以前に構成した４つの構成要素のうちの３つ、すなわち、第１の円柱レンズ対６０、第１のドーブプリズム７０及び第２のドーブプリズム８０しか有さない。第２の円柱レンズ対は存在しない。
【００９５】
受信器端では、幾何学位相部分４０の４つの要素のうちの３つが設けられている。すなわち、この場合に、第３のドーブプリズム７０´、第４のドーブプリズム８０´、及び第２の円柱レンズ対９０´である（従前通り、付加された幾何学位相を検出する部分５０が存在する。）。
【００９６】
従って、ポアンカレ球に沿った軌道を考えると、ＬＧ０＋１モードは南極から始まり、円柱レンズ対６０及びドーブプリズム７０、８０の組み合わせにより、軌道は赤道上の点に到達する。結果として生じる＜ＨＧ０１ｃｏｓθ＋ＨＧ１０ｓｉｎθ＞モードは、次いで、ファイバ１３０に沿って送信される。この場合に、（角度θによって記述される）エルミートガウスモード混合は、例えば、屈折率の変化、ファイバの欠陥、ねじれ及び歪み等のファイバの摂動の結果として無作為に変化する（なお、留意すべきは、このような影響は、２つのエルミートガウスモードが、当該モードをラゲールガウスモードに変換するように、互いに位相が著しくずれる、例えば、位相が９０度ずれるほどのファイバの延長された長さにわたって、対称的且つ極端である必要がある点である。）。
【００９７】
受信器に達すると、円柱レンズ対９０´によりモードはＬＧ０＋１モードに戻り、輪郭は閉じられる。このようにして、ＬＧ０＋１モードは、幾何学位相を累積する。幾何学位相は、ポアンカレ球表面上のその軌道の形状全体と、関連する立体角に従って変化する。＜ＨＧ０１ｃｏｓθ＋ＨＧ１０ｓｉｎθ＞モードは、それが光ファイバ１３０を横断する場合に、付加的な経路依存の位相を累積する。しかし、併進する（co-propagating）ＬＧ００モードも、それが厳密に同じ経路をたどるので、同じ経路依存の位相を累積している。結果として、受信器到達時の２つのモードの間の位相差は、純粋に幾何学位相である。リンクの受信器端での円柱レンズ対９０´は、正確にポアンカレ球輪郭を閉じて、正確な幾何学位相を得るために、適切な角度π／４＋θによって回転される必要がある。このようにして、ドーブプリズムは、送信器で導入された幾何学位相の平衡を保つために使用される。プリズムの角度は、データの測度であり、導入された幾何学位相を厳密に相殺すべきである。留意すべきは、正確な幾何学位相は、受信器端でのみ生成され、従って、潜在的な傍受者の新たな問題を引き起こす。
【００９８】
第５の実施例（図１１）は、図８と類似する受信器端での代替配置を有する。ここで、（部分３０に類似する）軌道角運動量モードを生成する第２の部分１６０は、受信器端において、検出部分５０´の前で且つ円柱レンズ対９０´の後に設けられている。図８の実施例と同様に、ＬＧ０＋１モードは、検出器部分５０´で併進するＬＧ００モードと干渉する前に、ＬＧ００モードに逆変換される。干渉パターンは、２つのモードの間の相対位相を示す明暗のストライプの相対的な側面位置（lateral  position）を有する縞模様から成る。
【００９９】
傍受者は、差動幾何学位相暗号化が用いられていることを前もって知ることが可能であり、故に、試しに受信器の複製を使用して、幾何学位相を“読み出す”。しかし、解決されるべき少なくとも２つの障害が存在する。１つは、（後に記載されるように）更なる暗号層をもたらしうる、（そもそも暗号化においてアリスと呼ばれる）送信器と（そもそも暗号化においてボブと呼ばれる）受信器との間の適切な“プロトコル”を用いることである。もう１つは、物理的に、ファイバが当該距離にわたって損傷しない限り、傍受者は信号のプロポーション（proportion）を取り出すために、サイドウォール・エバネセント・タッピング（side-wall  evanescent  tapping）技術を用いる必要があることである。サイドウォール・タッピングは、光モードの重要な特性の多くが最中に破壊され得るように、光ファイバの円筒対称性に比べて、基本的には幾何学的に非対称である。例えば、サイドウォール・タッピングは、そのように非対称であるから、タップから現れる光は、サイドウォール・タップの空間的位置に依存して、単一のＨＧモードＨＧ０１又はＨＧ１０によって決定される傾向がある。従って、（θによって記述される）＜ＨＧ０１ｃｏｓθ＋ＨＧ１０ｓｉｎθ＞モード混合は破壊される。更に、２つの構成要素（すなわち、＜ＨＧ０１ｃｏｓθ＋ＨＧ１０ｓｉｎθ＞モード及び併進するＬＧ００モード）の間には考慮すべき混合が存在し、傍受者がそれらを区別することを困難にしている。留意すべきは、従って、傍受は、また、２つの前進移動モードに対する考慮すべき摂動を生ずる点である。これにより、大きな障害がその間のどこかに起こっていること及び傍受攻撃が存在していることは、受信器端で明らかとなりうる。
【０１００】
たとえ傍受者が、結果として得られる光信号を処理して、２つの送信モードの妥当な原型（exemplars）を取り出し、受信器の複製にそれらを通すとしても、依然として解決されるべきプロトコル解釈が存在する。
【０１０１】
付加的な複雑性のレベルは、ＢＢ８４プロトコルと同様に“ベース（base）”を変更することによって、送信器と受信器との間の通信に加えられ得る。例えば、空間光変調（ＳＬＭ）は、送信器で光を回折するために使用されるＣＧＨを動的に生成及び変更すべく用いられ得る。使用されるＣＧＨに従って、より高次の“チャージ（charge）”は、より高次のＬＧモード、すなわちＬＧ０±ｍを生成するために使用され得る。ここで、ｍは、ＣＧＨによって与えられる変化の程度を表す。それは、ポアンカレ球の対称性がこのようなより高次のＬＧモードにも有効であり、且つ、平行な円柱レンズ及びドーブプリズムの組み合わせが同様にＬＧ０±ｍモードで幾何学位相を与えるために使用され得るので、可能である。この場合に、図１１に示される受信器端では、第２のＳＬＭは、特定のチャージを有してＣＧＨを表示するために使用される。受信器端でのＣＧＨが送信器のＣＧＨに相当する限り、ＬＧ０±ｍモードはＬＧ００モードへ逆変換され得る。その場合に、変換されたモードは、送信されるＬＧ００モードと直接的に干渉し、（幾何学位相に起因する）それらの相対的な位相差は、結果として得られる干渉パターンにより容易に確かめられ得る。相対位相に従って、干渉パターンは、ある程度の方位角回転を示しうる。ＣＧＨベースは、また、送信器端及び受信器端で夫々、無作為に変更され得る。両方のＣＧＨが同じチャージである場合に行われるかかる測定のみが有効であり、それは送信されるべき情報（キー）を決定するために使用され得る。このことは、ボブ（受信器）が、アリス（送信器）に対して公然と、どのチャージベースをボブが測定を実行するために用いたかを返答することによって実現される。アリスは、それらのベースを、自らが使用したベースと比較し、ボブが行ったどの測定が有効であるかをボブに公然と報告する。
【０１０２】
ＣＧＨにおいてチャージを変更する代わりに、又はそれに加えて、ＣＧＨは、送信器端及び受信器端の両方でランダムな角度だけ方位角によって回転され得る。これにより、受信器端では干渉パターンの相対的な回転が生じ、故に、更に幾何学位相を覆い隠すことができる。先と同じく、ボブは、公然とアリスに対して、どの方位角回転をボブが使用したかを返答し、アリスは、それらの回転を、自らが用いた回転と比較し、ボブが行ったどの測定が有効であるかをボブに公然と報告する。
【０１０３】
本発明の第６の実施例（図１２）で、通信することを望む者の１人（ボブ）は、他人（アリス）からの一方向の暗号接続を確立するためでさえ、送信及び受信の両方の設備を使用する。ボブは、軌道角運動量モード生成部３０を有する。生成部３０では、先と同じく、２つの軌道角運動量モード（すなわち、信号成分及び基準成分）が生成される。これらの成分は、第１の幾何学位相付加部４０´に供給される。付加部４０は、やはり、円柱レンズの第２の対を除いて、円柱レンズの第１の対６０及びドーブプリズム７０、８０を有する。この場合に、ドーブプリズム７０はランダム位相発生器へ接続されている。
【０１０４】
レンズ対６０、プリズム７０及びプリズム８０を通った後に、信号は、ファイバ１３０´に沿って他人、アリスへと伝わる。アリスは、ドーブプリズム７０”、８０”の対を備えた他の幾何学位相付加部４０’’’を有する。プリズム７０”は、暗号化されるべきデータを変調する変調器へ接続されている。アリスのプリズム７０”、８０”を通った後に、信号は、第２のファイバ１３０”に沿ってボブへ返される。
【０１０５】
ボブに届くと、信号は、この場合に第１の円柱レンズ対を除く２つのドーブプリズム７０´、８０´及び円柱レンズ対９０´から構成される他の幾何学位相付加部４０” （すなわち、この部分は、図１１の配置の幾何学位相付加部に相当する。）に入る。なお、ドーブプリズム８０´は、フィードバック制御ユニットを介してランダム位相発生器へ接続されている。フィードバック制御ユニットは、また、ＣＣＤアレーから出力される復号化データからの信号を受信する。
【０１０６】
幾何学位相付加部から現れる光は、先の実施例と同様に、ＣＣＤアレーを用いて、付加された幾何学位相を検出する部分５０´へ伝わる。セキュアデータ通信のためのプロトコルは、図１２の装置により、以下のように実現される。
【０１０７】
１）ボブは、基準ＬＧ００モード及びＬＧ０＋１モードの発生源であり、それら両方を、ファイバ１３０´に沿って、Ａにあるアリスへ送信する。しかし、ボブは、更に、ドーブプリズム７０を用いてＬＧ００モードとＬＧ０＋１モードとの間にランダムな（又はデータ状の（例えば、２進位相、０若しくはｎビットストリーム等。））差動位相θｒａｎｄを加える。
【０１０８】
２）２つのモードの光信号がＡにあるアリスに到達する場合に、アリスは、平行な光ファイバ１３０”を下って、先と同じく、ボブへそれらを送り返す。
【０１０９】
３）ボブは、アリスからの反射信号を受信する。前出のランダムなファイバ摂動により、ボブがそもそも与えたランダム位相差に加えて、ＬＧ００モードとＬＧ０＋１モードとの間には更なる位相差が存在する。（ボブが前もって与えたランダム位相差のストリームのフィードフォワード入力としても有する）適切なフィードバックシステムを用いて、ボブは、更なる位相θＦＢ／２によって受信端でドーブプリズム８０´を自動的に調整して、ＬＧ０＋１モードに関連する幾何学位相を動的に変化させ、ボブが与えたランダム位相ストリーム及びＬＧ００モードとＬＧ０＋１モードとの間の累積した経路依存の位相差の結合を補償して、２つのモードの間の位相差の平衡を保ち、それらを等しくする。この場合に、円柱レンズ対９０´は、また、必要に応じて、角度π／４＋θＦＢだけ回転される。モード間の位相等化は、ドーブプリズム８０´及び円柱レンズ対９０´へ加えられる付加的な位相角度θＦＢ／２のために適切なフィードバックを与えるようフィードバック制御ユニットへ送信される電気フィードバック信号を有して、ＣＣＤ検出器５０´で直接に確認及び測定をされる。
【０１１０】
４）この場合に、アリスは、２つのモードをボブへ返す前に、自身の装置内のドーブプリズム７０”を用いてＬＧ０＋１モード上に付加的な“データ”差動（幾何学）位相を加え、それを角度θＤａｔａ／２だけ回転させることによって、データキーをボブへ送信し始める。
【０１１１】
５）ボブのみが、自身がＬＧ０＋１モードに加えた元のランダム差動位相θｒａｎｄ／２を知っている。また、光は、経路依存の累積位相とフィードバックによる幾何学位相全体との間の正確な平衡／等化が存在するよう、長さに沿ってそのランダム摂動を伴う全ての道のりＢ−Ａ−Ｂを終える必要がある。従って、２つのモードの間の受け取った位相差から、ボブは自身が加えたランダム位相を取り去り、更に、ファイバ経路摂動によるランダム位相を、受け取った差動信号位相から取り去る。従って、ボブは、アリスからの“データ”信号を無事に取り出すことができる。
【０１１２】
システムのトレーニング（すなわち、幾何学位相及び経路長さに依存する位相の平衡及び等化）と、アリスからのデータの送信との間の時間多重化が可能である。また、波長多重化が使用されても良い。例えば、ＬＧ００モード及びＬＧ０＋１モードの更なる対は、データ送信に使用される波長とはわずかに異なる波長で、システムをトレーニングするために使用されても良い。その場合に、“トレーニング（training）”波長のための幾何学位相及び経路長さに依存する位相を等しくするために使用されるフィードバックデータは、また、（波長が十分に近いならば）両波長システムがファイバに沿って移動しながら同様の移動摂動を経験するという仮定の下で、データ送信に使用される波長にも適用される。
【０１１３】
アリスとボブとの間に傍受者（Ｅｖｅ）が存在する場合には、たとえＥｖｅがボブと同じ受信器を有していたとしても、Ｅｖｅが信号のプロポーションを転用する場合に、完全なＢ−Ａ−Ｂ経路は、もはやその光のプロポーションによっては実現されず、幾何学位相と経路依存のファイバ摂動位相との間には平衡が存在しない。その場合に、ボブによって信号に与えられたランダム位相θｒａｎｄ／２に加えて、Ｅｖｅは、残り全てのランダム位相から“データ”位相を区別ことができるような立場にはない。留意すべきは、２つのモードが経路Ｂ−Ａ−Ｂに沿って経験する摂動が多ければ多いほど、累積した位相雑音による保護はますます良くなる点である。これにより、ボブによって与えられるランダム位相及び“データ”位相は両方とも、より良く隠される。
【０１１４】
第７の実施例（図１３）は第６の実施例に類似するが、ボブは、自身の送信側幾何学位相付加部４０´においてドーブプリズム７０、８０を有さない。むしろ、ボブは、１つの円柱レンズ対６０しか有さない。（第６実施例でドーブプリズムへ接続された）ランダム位相発生器は、軌道角運動量生成部３０にある鏡Ｍ１、Ｍ２の１つへ接続されている。ボブは、干渉計配置の機関の１つで光学経路の長さを適切に変更するために、夫々、鏡Ｍ１又はＭ２のいずれか１つの適切な運動によって、ＬＧ００モード又はＬＧ０＋１モードにランダム差動位相を加える。
【０１１５】
第８の実施例（図１４）では、反射配置が使用される。アリスは、光サーキュレータ２００を介して光をボブへ反射し返す。この配置において、ボブの側では、光は、軌道角運動量生成部３０から光サーキュレータ２１０を通って幾何学位相付加部２４０へと至る。幾何学位相付加部２４０は、１つの円柱レンズ対２６０及び一対のドーブプリズム２７０、２８０を有する。光は、そこから光ファイバ１３０に沿ってアリスの装置へ至る。アリスの装置では、光は、先と同じく、光サーキュレータ２００を通って、ドーブプリズム７０”、８０”を備えた幾何学位相付加部４０’’’に入る。光は、そのプリズム対から出て、光サーキュレータ２００に戻り、再びファイバ１３０に沿って伝わる。ボブの装置に戻って、光は、幾何学位相付加部２４０を通って、光サーキュレータ２１０に入る。光サーキュレータ２１０から、光は、付加された幾何学位相を検出する部分５０´に供給される。ランダム位相発生器は、ドーブプリズム２７０へ接続されて、また、信号をフィードバック制御ユニットへ供給する。フィードバック制御ユニットは、また、復号化されたデータ出力から信号を受信する。フィードバック制御ユニットは、また、ドーブプリズム２７０へ接続されている。
【０１１６】
他の実施例では、他の自由度（ひいては、暗号化の複雑度）が、送信器端及び受信器端の両方で使用されるＣＧＨを変化させることによって提供される。空間光変調器（ＳＬＭ）は、光を回折するために使用されるＣＧＨを動的に変化させるために使用される。幾つかの実施例で、より高い軌道角運動量の変化を伴うＣＧＨは、より高次のＬＧモード（すなわち、ＬＧ０±ｍ。ここで、ｍは、ＣＧＨによって与えられる“チャージ”の程度を表す。）を生成すべく使用される。ポアンカレ球の対称性は、また、このようなより高次のＬＧモードにも有効であり、平行な円柱レンズ及びドーブプリズムの組み合わせは同様にＬＧ０±ｍモードに幾何学位相を与えるために使用されるので、かかるアプローチは、“基本”暗号化のための更なる手段を提供する（より高次の軌道角運動量モードの議論のために、Ｇ．Ｆ．カルボ著、“Wigner  representation  and  geometric  transformations  of  optical  orbital  angular  momentum  spatial  modes（光学軌道角運動量空間モードのウィグナー表示及び幾何学変換）”、オプティクス・レター誌、３０（１０）、１２０７頁、２００５年を参照されたし。）。一例として、先と同じくＢＢ８４アルゴリズムと同様に、ＣＧＨベースは、送信器端及び受信器端の夫々で無作為に変更される。両ＣＧＨが同じである場合に行われるかかる測定のみが有効であり、送信されるべき情報（すなわち、キー）を決定するために使用される。
【０１１７】
上記の実施例は、バルク光学を用いる、本発明の原則的に“自由空間”の実施であるものを利用する。しかし、当業者には明らかであるように、送信器端及び受信器端の機能の多くは、例えば、光ファイバで又は集積光学装置で実施される等価な装置によって実行され得る。
【０１１８】
当業者は、伝送ファイバとして使用されるべき適切なファイバを容易に特定するであろう。このようにして、本発明の幾つかの実施形態で、例えば、伝送ファイバは、より高次のＬＧモードの最適伝送のために設計された“Ｗ”ファイバである。他の例で、それは、例えば、等価なドーナツモードのために最適化された光子クリスタルファイバ（ＰＣＦ）である。２つのモードＬＧ０＋１及びＬＧ００は、また、異なる波長で伝送され得るが、受信器端で、それらは、概して、正常な干渉に基づく検出のために、互いに同じ波長であるように変換される必要がある。
【０１１９】
自由空間伝送は、また、モード間の相対位相を保つので、他の実施例では、光のモードは、（導波光学系を通るよりむしろ）自由空間を通って伝送される。当業者は、それから、ここで記載される技術がマイクロ波及びＲＦ周波数での無線送信にも適用可能であることを容易に理解するであろう。
【０１２０】
本発明は、特定の実施例を参照して記載及び図示をされてきたが、当業者には当然のことながら、本発明は、ここで具体的に示されていない多種多様な変形例にも及ぶ。このような変形例及び代替案の幾つかの例は先に記載されている。
【０１２１】
以上の記載で、整数及び要素について、既知の、明白な又は予測可能な等価なものを有することが記載される場合に、このような等価なものは、ここでは、個々に挙げられているかのように組み込まれている。本発明の実際の適用範囲を決定するには特許請求の範囲が参照されるべきである。かかる範囲は、このような等価なものをいずれも包含するよう解釈されるべきである。また、読む者にとっては当然のことながら、望ましく、有利に、又は便宜上記載される本発明の整数値又は特徴は任意であり、独立請求項の適用範囲を限定するものではない。
【０１２２】
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
データを電磁ビーム上に暗号化する方法であって、
モード状態を有し、幾何学位相の累積を感受する信号成分と、基準成分とを有する電磁ビームを供給する段階と、
前記信号成分が、第１のモード状態から第２のモード状態へ、該第２のモード状態から少なくとも１つの更なるモード状態へ、次いで前記第１のモード状態への当該信号成分のモード状態の転換によって幾何学位相を累積するところの経路の少なくとも一部にわたって該経路に沿って前記ビームを送信する段階と、
前記モード状態の転換を変調することによって、そのように累積された前記幾何学位相を前記データにより変調する段階とを有する方法。
（付記２）
前記幾何学位相の少なくとも一部は送信器で累積される、付記１記載の方法。
（付記３）
前記幾何学位相の少なくとも一部は受信器で累積される、付記２記載の方法。
（付記４）
前記変調は送信器で生じるが、前記変調された幾何学位相は受信器側でのみ測定可能となる、付記１乃至３のうちいずれか一項記載の方法。
（付記５）
前記電磁ビームの前記基準成分は幾何学位相の累積を感受しない、付記１乃至４のうちいずれか一項記載の方法。
（付記６）
前記基準成分は基本モードにある、付記５記載の方法。
（付記７）
前記信号成分及び前記基準成分のモード状態は軌道角運動量モード状態である、付記１乃至６のうちいずれか一項記載の方法。
（付記８）
前記信号成分は、１以上の次数のラゲールガウスモード、例えばＬＧ０＋１モードとして始まり、当該方法の間に、エルミートガウスモード、例えばＨＧ０１モード、ＨＧ１０モード、又はＨＧ０１モード及びＨＧ１０モードの混合状態に転換し、更に、当該方法の間に、エルミートガウスモードからラゲールガウスモードへ、例えばＨＧ０１モード、ＨＧ１０モード、又はＨＧ０１モード及びＨＧ１０モードからＬＧ０＋１モードへ転換する、付記７記載の方法。
（付記９）
前記基準成分は、ラゲールガウスモード、例えばＬＧ００モードとして始まり、当該方法の全体を通してＬＧ００モードのままである、付記７又は８記載の方法。
（付記１０）
前記幾何学位相は、（ｉ）平行な軸を有する円柱レンズの第１の対と、（ｉｉ）ドーブプリズムの少なくとも１つの対と、（ｉｉｉ）平行な軸を有する円柱レンズの第２の対とを通る通路によって累積される、付記７乃至９のうちいずれか一項記載の方法。
（付記１１）
前記軌道角運動量モード状態の変調は、前記ビームの経路にある光学装置を駆動する変調器回路を用いて達成され、これにより、信号成分の軌道角運動量状態は、前記変調器回路によって駆動される前記光学装置の運動によって変調される、付記７乃至１０のうちいずれか一項記載の方法。
（付記１２）
電磁ビームからデータを復号化する方法であって、
（ｉ）モード状態を有し、幾何学位相の累積を感受する信号成分と、基準成分とを有し、前記信号成分が、第１のモード状態から第２のモード状態へ、該第２のモード状態から少なくとも１つの更なるモード状態へ、次いで前記第１のモード状態への当該信号成分のモード状態の転換によって幾何学位相を累積するところの経路の少なくとも一部にわたって該経路に沿って送信される幾何学ビームを受け取る段階を有し、前記累積された幾何学位相は、前記モード状態の転換を変調することによって前記データにより変調され、
（ｉｉ）前記変調を回復するように前記基準成分の位相全体と前記信号成分の位相全体とを比較する段階を更に有する方法。
（付記１３）
前記変調は、検出器に前記ビームの焦点を合わせ、前記信号成分と前記基準成分との間の干渉により生ずる干渉パターンを観測することによって回復される、付記１２記載の方法。
（付記１４）
前記累積された幾何学位相は、暗号化相の間に対応する要素に対してされた配置変更を補償するように光学要素の幾何学的配置を変化させることによって取り除かれる、付記１２又は１３記載の方法。
（付記１５）
前記累積された幾何学位相は、（ｉ）平行な軸を有する円柱レンズの第１の対と、（ｉｉ）ドーブプリズムの対と、（ｉｉｉ）平行な軸を有する円柱レンズの第２の対とを通る通路によって、復号化の前に取り除かれる、付記１２乃至１４のうちいずれか一項記載の方法。
（付記１６）
前記信号成分及び前記基準成分は、前記ビームを２つのビームに分け、夫々のビームに空間フィルタリングを行って成分を選択し、選択された成分を再結合して前記ビームを再形成することによって他の成分から分離される、付記１２乃至１５のうちいずれか一項記載の方法。
（付記１７）
データを電磁ビーム上に暗号化する装置であって、
モード状態を有し、幾何学位相の累積を感受する信号成分と、基準成分とを前記電磁ビームにおいて生成するよう配置される複数の光学要素と、
前記信号成分のモード状態を、第１のモード状態から第２のモード状態へ、該第２のモード状態から少なくとも１つの更なるモード状態へ、次いで前記第１のモード状態へと転換させるよう配置される複数の光学要素と、
前記光学要素の少なくとも１つへ接続され、前記信号成分のモード状態を前記データにより変調するよう配置される変調器とを有する装置。
（付記１８）
前記信号成分及び／又は前記基準成分は２次元格子を用いて生成される、付記１７記載の装置。
（付記１９）
前記ビームを２つのビームに分けるよう配置されるビーム分配器と、
前記信号成分及び前記基準成分を選択するよう夫々のビームに空間フィルタをかけるフィルタと、
前記ビームを再形成するよう前記選択された成分を再結合するビーム分配器とを有する、付記１７又は１８記載の装置。
（付記２０）
平行な軸を有する円柱レンズの対を有し、前記信号成分の軌道角運動量状態を変更するよう配置される複数の光学要素を有する、付記１７乃至１９のうちいずれか一項記載の装置。
（付記２１）
平行な軸を有する円柱レンズの第２の対を更に有する、付記２０記載の装置。
（付記２２）
互いに相対的な角度で配置されるドーブプリズムの対を有し、前記信号成分の軌道角運動量状態を変更するよう配置される複数の光学要素を有する、付記１７乃至２１のうちいずれか一項記載の装置。
（付記２３）
前記ビームの経路にある光学要素を駆動するよう配置される変調器回路を有し、これにより、前記ビームの前記信号成分のモード状態は、前記変調器回路によって駆動される前記光学要素の運動によって変調される、付記１７乃至２２のうちいずれか一項記載の装置。
（付記２４）
前記信号成分のランダムなモード状態変化又は前記信号成分と前記基準成分との間のランダムな相対位相変化を与えるよう配置される当該装置内の光学要素へ接続されるランダム位相発生器を有する、付記１７乃至２３のうちいずれか一項記載の装置。
（付記２５）
前記ビームから前記データを復号化する装置を有する、付記１７乃至２４のうちいずれか一項記載の装置。
（付記２６）
電磁ビームからデータを復号化する装置であって、
モード状態を有し、幾何学位相の累積を感受する信号成分と、基準成分とを有し、前記信号成分が、第１のモード状態から第２のモード状態へ、該第２のモード状態から少なくとも１つの更なるモード状態へ、次いで前記第１のモード状態への当該信号成分のモード状態の転換によって幾何学位相を累積するところの経路の少なくとも一部にわたって該経路に沿って送信される幾何学ビームを受け取る装置を有し、前記累積された幾何学位相は、前記モード状態の転換を変調することによって前記データにより変調され、
前記信号成分のモード状態を変更するよう配置される複数の光学要素と、
前記変調を回復するように前記基準成分の位相全体と前記信号成分の位相全体とを比較するよう配置される復調器とを更に有する装置。
（付記２７）
光ファイバによって暗号化装置へ接続される、付記２６記載の装置。
（付記２８）
ファイバから現れる軌道角運動量状態の間の干渉により生ずる干渉パターンを検出するよう配置される検出器を有する、付記２６又は２７記載の装置。
（付記２９）
前記信号成分は２次元格子を用いて縮退される、付記２６乃至２８のうちいずれか一項記載の装置。
（付記３０）
平行な軸を有する円柱レンズの対を有し、前記信号成分の軌道角運動量状態を変更するよう配置される複数の光学要素を有する、付記２６乃至２９のうちいずれか一項記載の装置。
（付記３１）
平行な軸を有する円柱レンズの第２の対を更に有する、付記３０記載の装置。
（付記３２）
互いに相対的な角度で配置されるドーブプリズムの対を有し、前記信号成分の軌道角運動量状態を変更するよう配置される複数の光学要素を有する、付記２６乃至３１のうちいずれか一項記載の装置。
（付記３３）
前記ビームの経路にある光学要素を駆動するよう配置される変調器回路を有し、これにより、前記信号成分の軌道角運動量状態は、前記変調器回路によって駆動される前記光学要素の運動によって変調される、付記２６乃至３２のうちいずれか一項記載の装置。
（付記３４）
前記信号成分及び前記基準成分を単一のモードに結合するよう配置される複数の光学要素を有する、付記２６乃至３３のうちいずれか一項記載の装置。
（付記３５）
前記信号成分のランダムなモード状態変化又は前記信号成分と前記基準成分との間のランダムな相対位相変化を相殺するよう配置される当該装置内の光学要素へ接続され、復号化されるデータの検出器及びランダム位相発生器から入力を受け取るフィードバックループを有する、付記２６乃至３４のうちいずれか一項記載の装置。
（付記３６）
電磁ビームからデータを復号化する方法であって、
（ｉ）第１の軌道角運動量モード及び第２の軌道角運動量モードを有し、該第１及び第２の軌道角運動量モードの少なくとも１つが、前記データによって変調された前記第１の軌道角運動量モードの幾何学位相を累積するところの経路の少なくとも一部にわたって該経路に沿って送信された幾何学ビームを受け取る段階と、
（ｉｉ）前記幾何学位相の変調を回復するように前記第１の軌道角運動量モードの位相全体と前記第２の軌道角運動量モードの位相全体とを比較する段階とを有する方法。
（付記３７）
暗号化されたデータを伝達する方法であって、
（１）第１の軌道角運動量成分及び第２の軌道角運動量成分を有するビームを生成する段階と、
（２）軌道角運動量成分の間のランダムな又はデータ状の差動位相を前記ビームへ加える段階と、
（３）前記データを暗号化すべき人へ前記ビームを送信する段階と、
（４）前記人から返された前記ビームを受け取る段階と、
（５）前記第１の軌道角運動量成分と前記第２の軌道角運動量成分との間の位相の平衡を保ち且つ等しくするように、前記段階（３）及び（４）の間で累積されたあらゆる経路依存位相差及び前記付加された差動位相の結合を補償する段階と、
（６）前記第１の軌道角運動量成分と前記第２の軌道角運動量成分との間の付加的なデータ差動（幾何学）位相として前記人によって前記ビーム上に暗号化されたデータを含む前記ビームを前記人から更に受け取る段階と、
（７）前記段階（５）の補償を繰り返して、前記第１の軌道角運動量成分と前記第２の軌道角運動量成分との間の残留位相差として前記データを取り出す段階とを有する方法。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】ストークス空間におけるポアンカレ球である。
【図２】軌道角運動量モードのためのポアンカレ球である。
【図３】測定可能な幾何学位相を有する光ビームを生成する先行技術の量子計算装置である。
【図４】図５（ａ）の部分によって生成される軌道角運動量モードへ幾何学位相を加える図３の装置の一部をより詳細に示す。
【図５】（ａ）は図３の装置のモード生成部をより詳細に示し、（ｂ）はそのモード生成部で使用されるＣＧホログラフィック格子を示す。
【図６】本発明の第１の実施例に従う暗号化装置である。
【図７】本発明の第２の実施例に従う暗号化装置である。
【図８】本発明の第３の実施例に従う暗号化装置である。
【図９】図８の装置のモード生成部の詳細及びそのモード生成部で使用されるＣＧホログラフィック格子を示す。
【図１０】本発明の第４の実施例に従う暗号化装置である。
【図１１】本発明の第５の実施例に従う暗号化装置である。
【図１２】本発明の第６の実施例に従う暗号化装置である。
【図１３】本発明の第７の実施例に従う暗号化装置である。
【図１４】本発明の第８の実施例に従う暗号化装置である。
【符号の説明】
【０１２４】
１０，２０  ポアソン球
３０  軌道角運動量モード生成部
４０，１４０，２４０  幾何学位相付加部
５０    付加幾何学位相検出部
６０    第１の円柱レンズ対
７０    第１のドーブプリズム
８０    第２のドーブプリズム
９０    第２の円柱レンズ対
１００  光軸
１１０  データ信号
１２０  変調器回路
１３０  光ファイバ
１６０  軌道角運動量モード縮退部
２００，２１０  光サーキュレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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