(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のステーションと、光の媒体となる伝送路と、第２のステーションとからなる通信システムであって、
前記第１のステーションは、時間的に分割された光パルスを前記伝送路に放出し、前記第２のステーションで変調された後、前記伝送路に戻し、前記第１のステーションで前記伝送路から折り返してきた光パルス間の位相差を測定し、
前記第２のステーションは、前記時間的に分割された光パルスを第１の直交偏光成分と第２の直交偏光成分に分割する偏光ビームスプリッタと、
前記第１の直交偏光成分を受信し、前記時間的に分割された光パルス間に乱数ビットの値に対応して位相差を与える第１の位相変調器と、
前記第２の直交偏光成分の偏光方向を９０度回転した後、前記第２の直交偏光成分を受信し、前記時間的に分割された光パルス間に前記乱数ビットの値に対応した位相差と同じ大きさの位相差を与え、前記第１の直交偏光成分と前記第２の直交偏光成分の間に１８０度の位相差を与える第２の位相変調器とを備え、
前記第１の位相変調器の出力は偏光方向を９０度回転させた後、前記偏光ビームスプリッタにおいて前記第２の位相変調器の出力と合成され、前記伝送路に再び戻されることを特徴とする通信システム。
【請求項２】
請求項１記載の通信システムにおいて、同一の位相変調器が前記第１の位相変調器および前記第２の位相変調器として構成されることを特徴とする通信システム。
【請求項３】
請求項２記載の通信システムにおいて、前記第２のステーションへ入射した光パルスを直交偏光成分に分割した後、前記分割された偏光成分が前記位相変調器に入射するまでの距離を各々の偏光成分で異なる値とし、信号電圧を時間的に変化させることによって乱数ビット値に対応した位相差と直交偏光成分間の１８０度の位相差を同時に与えることを特徴とする通信システム。
【請求項４】
請求項２記載の通信システムにおいて、前記第２のステーションへ入射した光パルスを直交偏光成分に分割した後、前記分割された偏光成分を前記位相変調器の両端から入射するまでの光路が、定偏波光ファイバで構成されていることを特徴とする通信システム。
【請求項５】
請求項４記載の通信システムにおいて、前記定偏波光ファイバの偏光軸を入射した光パルスの直交偏光成分の電界ベクトルの向きに合わせることにより、前記分割された偏光成分が合成される際にもとの偏光方向から９０度回転されていることを特徴とする通信システム。
【請求項６】
請求項１記載の通信システムにおいて、前記偏光ビームスプリッタの偏光回転の９０度からのずれ成分が出力される端子が無反射終端されていることを特徴とする通信システム。
【請求項７】
請求項１記載の通信システムにおいて、前記第２のステーションが、前記第１の位相変調器の出力と前記第２の位相変調器の出力を合成し前記伝送路に再び光パルスを放出する際、光パルスの強度が１ビットあたり１光子以下になるように減衰させる手段を有し、量子暗号鍵を配布することを特徴とする通信システム。
【請求項８】
第１のステーションで、時間的に分割された光パルスを伝送路に放出し、第２のステーションで変調した後、前記伝送路へ戻し、前記伝送路から折り返してきた光パルス間の位相差を測定し、
前記第２のステーションにおいて、偏光ビームスプリッタにより、前記時間的に分割された光パルスを第１の直交偏光成分と第２の直交偏光成分に分割し、
前記第２のステーションにおいて、第１の位相変調器により、前記第１の直交偏光成分を受信し、前記時間的に分割された光パルス間に乱数ビットの値に対応して位相差を与え、
前記第２のステーションにおいて、第２の位相変調器により、前記第２の直交偏光成分の偏光方向を９０度回転した後、前記第２の直交偏光成分を受信し、前記第１の位相変調器により前記時間的に分割された光パルス間に与えたのと同じ大きさの位相差を与え、前記第１の直交偏光成分と前記第２の直交偏光成分の間に１８０度の位相差を与え、
前記第１の位相変調器の出力は偏光方向を９０度回転させた後、前記偏光ビームスプリッタにおいて前記第２の位相変調器の出力と合成し、前記伝送路に再び戻すことを特徴とする通信方法。
【請求項９】
請求項８記載の通信方法において、同一の位相変調器が前記第１の位相変調器および前記第２の位相変調器として構成されることを特徴とする通信方法。
【請求項１０】
請求項９記載の通信方法において、前記第２のステーションへ入射した光パルスを直交偏光成分に分割した後、前記分割された偏光成分が前記位相変調器に入射するまでの距離を各々の偏光成分で異なる値とし、信号電圧を時間的に変化させることによって乱数ビット値に対応した位相差と直交偏光成分間の１８０度の位相差を同時に与えることを特徴とする通信方法。
【請求項１１】
請求項９記載の通信方法において、前記第２のステーションへ入射した光パルスを直交偏光成分に分割した後、前記分割された偏光成分を前記位相変調器の両端から前記偏光ビームスプリッタへ入射するまでの光路が、定偏波光ファイバで構成されていることを特徴とする通信方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の通信方法において、前記定偏波光ファイバの偏光軸を入射した光パルスの直交偏光成分の電界ベクトルの向きに合わせることにより、前記分割された偏光成分が合成される際にもとの偏光方向から９０度回転されていることを特徴とする通信方法。
【請求項１３】
請求項８記載の通信方法において、前記偏光ビームスプリッタの偏光回転の９０度からのずれ成分が出力される端子が無反射終端されていることを特徴とする通信方法。
【請求項１４】
請求項８記載の通信方法において、前記第２のステーションが、前記第１の位相変調器の出力と前記第２の位相変調器の出力を合成し前記伝送路に再び光パルスを放出する際、光パルスの強度が１ビットあたり１光子以下になるように減衰させ、量子暗号鍵を配布することを特徴とする通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信システム及びそれを用いた通信方法に係り、特に暗号鍵を光ファイバ通信により共有する量子暗号鍵の配布を行う通信システム及びそれを用いた通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットの爆発的普及、電子商取引の実用化を迎え、通信の秘密保持・改ざん防止や個人の認証などのために、暗号技術の社会的な必要性が高まっている。現在、ＤＥＳ（Ｄａｔａ  Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ  Ｓｔａｎｄａｒｄ）暗号のような共通鍵方式やＲＳＡ（Ｒｉｖｅｓｔ  Ｓｈａｍｉｒ  Ａｄｌｅｍａｎ）暗号をはじめとする公開鍵方式が広く用いられている。しかし、これらの方式は「計算量的安全性」にその基盤を置いている。つまり、現行の暗号方式は計算機ハードウェアと暗号解読アルゴリズムの進歩に常に脅かされている。特に、銀行間のトランザクションや軍事・外交にかかわる情報などの極めて高い安全性が要求される分野では、原理的に安全な暗号方式が実用になればそのインパクトは大きい。
【０００３】
情報理論で無条件安全性が証明されている暗号方式に、ワンタイムパッド法がある。ワンタイムパッド法は通信文と同じ長さの暗号鍵を用い、暗号鍵を１回で使い捨てることが特徴である。下記非特許文献１で、ワンタイムパッド法に使用する暗号鍵を安全に配送する具体的なプロトコルが提案された。これを契機に量子暗号の研究が盛んになっている。量子暗号は物理法則が暗号の安全性を保証するため、計算機の能力の限界に依存しない究極の安全性保証が可能になる。現在検討されている量子暗号は１ビットの情報を単一光子の状態として伝送するものである。このため、伝送路である光ファイバにより光子の状態が変化すると量子暗号の安全性は大きく損なわれる。
【０００４】
従来の量子暗号装置（下記特許文献２参照）では、第２のステーション（送信）側で光パルスを光路差のある干渉計を用いて時間的に２分割し、互いの位相差を変調することにより暗号鍵となる乱数ビットを表現し、第１のステーション（受信）側で２分割された光パルスを再び干渉させることにより伝送された乱数ビットを再生している。このため、第２のステーション（送信）側と第１のステーション（受信）側で用いる干渉計の光路差は完全に等しくなければならない。また、伝送路で偏光状態が変動すると干渉の明瞭度が低下し、受信誤り率の増大につながる。量子暗号では受信誤り率の増大を盗聴者検出の手段としているため、伝送路での偏光状態の変化に起因する受信誤り率の増大は盗聴者の発見確率を減少させ、結果として量子暗号の安全性を低下させる。また、量子暗号装置では、盗聴行為が存在したものと仮定して、第１のステーション及び第２のステーションの間で共有した乱数ビット群から、盗聴された危険性のあるビット量に相当する情報量を破棄し、共有乱数データの秘匿性を確実なものにする。この際、破棄するべき情報量は受信誤り率によって一様に定まる。受信誤り率が高い場合には、より多くの情報量を破棄する必要があり、最終的な共有乱数データ量が減少、つまり量子暗号の暗号鍵生成速度が劣化することになる。
【０００５】
上述のような問題を解決するため、下記特許文献１またはこれを簡略にした下記特許文献３および下記非特許文献２に記載されているように、ファラデーミラーを用いて偏光方向の変動を補償する量子暗号装置が発明されている。この装置では、まず受信者が時間的に分割され偏光が直交した光パルスを送信者に送り、送信者はファラデーミラーを用いて送られてきた光の進行方向を反転させ、同時に偏光方向を９０度回転させた後、分割された光パルスの間に位相変調器により位相差を与えて受信者に送り返すという構成をとっている。このような折り返し構成により、光パルスを時間的に分割する干渉計と時間的に再び結合させる干渉計は同一のものになるため、干渉計の光路差が光パルスの往復時間より長い時間だけ一定に保たれれば明瞭度の高い干渉が得られる。よく知られているように、ファラデーミラーで反射された光は、途中の伝送路でいかなる偏光状態の攪乱を受けても戻った光の偏光方向は初めの状態に直交するため、伝送路での偏光状態の攪乱に対しても干渉計の明瞭度は損なわれることはなく、量子暗号の安全性は保障される。
【特許文献１】特表２０００−５１７４９９号
【特許文献２】特許第２９５１４０８号
【特許文献３】ＵＳＰ  ６，１８８，７６８Ｂ１
【非特許文献１】ベネット（Ｂｅｎｎｅｔｔ）、ブラッサード（Ｂｒａｓｓａｒｄ）著  ＩＥＥＥコンピュータ、システム、信号処理国際会議〔ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ，ｐ．１７５（１９８４）〕
【非特許文献２】リボルディ（Ｒｉｂｏｒｄｙ）、ガウチャー（Ｇａｕｔｉｅｒ）、ジサン（Ｇｉｓｉｎ）、グィナルド（Ｇｕｉｎｎａｒｄ）、ツビンデン（Ｚｂｉｎｄｅｎ）著  エレクトロニクスレターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）  ３４巻  ２１１６−２１１７頁（１９９８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献２に開示された量子暗号装置にはいくつかの問題がある。
第一の問題点は送信者の用いる位相変調器を実現することが困難だということである。これは以下に起因する。
送信者は位相変調器で時間的に分割された光パルスの間に位相差を与えるが、この位相変調器は以下の条件を満たす必要がある。
（１）量子暗号で唯一安全性が数学的に証明されているプロトコルである、上記非特許文献１で開示されたＢＢ８４プロトコルでは位相差として０度、９０度、１８０度、２７０度の４種類を与えることが必要である。
（２）分割された時間間隔内で位相変調を与える。光パルスが伝送中に干渉性を保つためにはパルスの時間間隔を数ナノ秒以下にする必要があり、位相変調器の変調帯域は少なくとも１ＧＨｚ程度は必要となる。
（３）伝送路を通った光の偏光状態は変動しているので、あらゆる偏光に対して同じ変調特性を示すことが必要である。
【０００７】
現在実用化されている位相変調器で上述の条件を全て満たすのは困難である。例えば、１ＧＨｚ以上の変調帯域を持つ位相変調器としてはニオブ酸リチウムを用いたものとＩｎＰなどの化合物半導体を用いたものがあり、損失が小さいことからニオブ酸リチウムが広く使われている。しかし、これらの位相変調器は、一般に偏光依存性を持ち、特定の偏光を指定して用いるのが通常である。また、偏光無依存型の位相変調器も存在するが、これは０度と１８０度の位相変調に必要な電圧が偏光方向に依らなくなるように設計されるため、中間の９０度や２７０度での特性は保証されない。
【０００８】
第二の問題点はファラデーミラーが磁気光学素子であるため、将来期待される光回路の集積化に不向きなことである。これは、磁気光学素子が通常の集積光回路の材料であるシリコン・ガラス・ニオブ酸リチウムなどでは構成できないためである。上記特許文献３に開示された方法によれば偏光依存性を持つ位相変調器も使用できるが、ファラデーミラーを必要とする。
【０００９】
第三の問題点はファラデーミラーの回転角精度及び温度に依存して暗号鍵生成速度が変化するということである。これは、以下に起因する。
上記特許文献２で開示された量子暗号装置では、光パルスを時間的に分割する干渉計と時間的に再び結合させる干渉計を同一のものにするため、送信者が光パルスの偏光方向を厳密に９０度回転させる必要がある。この偏光回転角が９０度よりずれると、第１のステーション（受信機）において復路で往路と同一の経路を通る光パルスが増加し、干渉の明瞭度が劣化するとともに暗号鍵生成速度が劣化する。
【００１０】
ここで、一般に市販されているファラデーミラーの偏光回転角の精度誤差は±３度程度、最も特性の良いものでも±１度程度である。偏光回転角が９０度から３度ずれると約３％の光子が結合せずに干渉計を通過し、その分暗号鍵生成の精度が劣化する。
また、ファラデー効果による偏光回転角は温度依存性を持ち、ファラデー素子の温度が変化すると偏光回転角も同様に変化する。この温度依存性の一般値は−０．１２度／℃である。つまり素子の温度が２５℃変化するとファラデーミラーによる偏光回転角は３度変化し、同様に暗号鍵生成速度の劣化を引き起こす。
【００１１】
本発明の目的は、伝送路での偏光状態の攪乱に対して安全性が損なわれない折り返し構成をとりながら、暗号鍵生成速度の劣化を引き起こすファラデーミラーを用いずに第２のステーション（送信機）における９０度の偏光回転を精度良く実現し、また偏光依存性のある位相変調器が使用できる通信システム及びそれを用いた通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の通信システム及びそれを用いた通信方法は、
〔１〕第１のステーションと、光の媒体となる伝送路と、第２のステーションとからなる通信システムであって、前記第１のステーションは、時間的に分割された光パルスを前記伝送路に放出し、前記第２のステーションで変調された後、前記伝送路に戻し、前記第１のステーションで前記伝送路から折り返してきた光パルス間の位相差を測定し、前記第２のステーションは、前記時間的に分割された光パルスを第１の直交偏光成分と第２の直交偏光成分に分割する偏光ビームスプリッタと、前記第１の直交偏光成分を受信し、前記時間的に分割された光パルス間に乱数ビットの値に対応して位相差を与える第１の位相変調器と、前記第２の直交偏光成分の偏光方向を９０度回転した後、前記第２の直交偏光成分を受信し、前記時間的に分割された光パルス間に前記乱数ビットの値に対応した位相差と同じ大きさの位相差を与え、前記第１の直交偏光成分と前記第２の直交偏光成分の間に１８０度の位相差を与える第２の位相変調器とを備え、前記第１の位相変調器の出力は偏光方向を９０度回転させた後、前記偏光ビームスプリッタにおいて前記第２の位相変調器の出力と合成され、前記伝送路に再び戻されることを特徴とする。
【００１３】
〔２〕上記〔１〕記載の通信システムにおいて、同一の位相変調器が前記第１の位相変調器および前記第２の位相変調器として構成されることを特徴とする。
〔３〕上記〔２〕記載の通信システムにおいて、前記第２のステーションへ入射した光パルスを直交偏光成分に分割した後、前記分割された偏光成分が前記位相変調器に入射するまでの距離を各々の偏光成分で異なる値とし、信号電圧を時間的に変化させることによって乱数ビット値に対応した位相差と直交偏光成分間の１８０度の位相差を同時に与えることを特徴とする。
【００１４】
〔４〕上記〔２〕記載の通信システムにおいて、前記第２のステーションへ入射した光パルスを直交偏光成分に分割した後、前記分割された偏光成分を前記位相変調器の両端から入射するまでの光路が、定偏波光ファイバで構成されていることを特徴とする。
〔５〕上記〔４〕記載の通信システムにおいて、前記定偏波光ファイバの偏光軸を入射した光パルスの直交偏光成分の電界ベクトルの向きに合わせることにより、前記分割された偏光成分が合成される際にもとの偏光方向から９０度回転されていることを特徴とする。
【００１５】
〔６〕上記〔１〕記載の通信システムにおいて、前記偏光ビームスプリッタの偏光回転の９０度からのずれ成分が出力される端子が無反射終端されていることを特徴とする。
〔７〕上記〔１〕記載の通信システムにおいて、前記第２のステーションが、前記第１の位相変調器の出力と前記第２の位相変調器の出力を合成し前記伝送路に再び光パルスを放出する際、光パルスの強度が１ビットあたり１光子以下になるように減衰させる手段を有し、量子暗号鍵を配布することを特徴とする。
【００１６】
〔８〕第１のステーションで、時間的に分割された光パルスを伝送路に放出し、第２のステーションで変調した後、前記伝送路へ戻し、前記伝送路から折り返してきた光パルス間の位相差を測定し、前記第２のステーションにおいて、偏光ビームスプリッタにより、前記時間的に分割された光パルスを第１の直交偏光成分と第２の直交偏光成分に分割し、前記第２のステーションにおいて、第１の位相変調器により、前記第１の直交偏光成分を受信し、前記時間的に分割された光パルス間に乱数ビットの値に対応して位相差を与え、前記第２のステーションにおいて、第２の位相変調器により、前記第２の直交偏光成分の偏光方向を９０度回転した後、前記第２の直交偏光成分を受信し、前記第１の位相変調器により前記時間的に分割された光パルス間に与えたのと同じ大きさの位相差を与え、前記第１の直交偏光成分と前記第２の直交偏光成分の間に１８０度の位相差を与え、前記第１の位相変調器の出力は偏光方向を９０度回転させた後、前記偏光ビームスプリッタにおいて前記第２の位相変調器の出力と合成し、前記伝送路に再び戻すことを特徴とする。
【００１７】
〔９〕上記〔８〕記載の通信方法において、同一の位相変調器が前記第１の位相変調器および前記第２の位相変調器として構成されることを特徴とする。
〔１０〕上記〔９〕記載の通信方法において、前記第２のステーションへ入射した光パルスを直交偏光成分に分割した後、前記分割された偏光成分が前記位相変調器に入射するまでの距離を各々の偏光成分で異なる値とし、信号電圧を時間的に変化させることによって乱数ビット値に対応した位相差と直交偏光成分間の１８０度の位相差を同時に与えることを特徴とする。
【００１８】
〔１１〕上記〔９〕記載の通信方法において、前記第２のステーションへ入射した光パルスを直交偏光成分に分割した後、前記分割された偏光成分を前記位相変調器の両端から前記偏光ビームスプリッタへ入射するまでの光路が、定偏波光ファイバで構成されていることを特徴とする。
〔１２〕上記〔１１〕記載の通信方法において、前記定偏波光ファイバの偏光軸を入射した光パルスの直交偏光成分の電界ベクトルの向きに合わせることにより、前記分割された偏光成分が合成される際にもとの偏光方向から９０度回転されていることを特徴とする。
【００１９】
〔１３〕上記〔８〕記載の通信方法において、前記偏光ビームスプリッタの偏光回転の９０度からのずれ成分が出力される端子が無反射終端されていることを特徴とする。
〔１４〕上記〔８〕記載の通信方法において、前記第２のステーションが、前記第１の位相変調器の出力と前記第２の位相変調器の出力を合成し前記伝送路に再び光パルスを放出する際、光パルスの強度が１ビットあたり１光子以下になるように減衰させ、量子暗号鍵を配布することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の第１の効果としては、上記第２のステーション（送信機）内で、直交する２つの偏光成分に分けた上で、片方の偏光成分を９０度回転させていることにより、位相変調器に入射する光の偏光方向は同一でかつ一定とすることができ、偏光依存性のある位相変調器を用いることができる量子暗号システムを提供することができる。
本発明の第２の効果としては、光の偏光方向を元の光とは直交させ、さらに異なる直交偏光成分の位相を反転させることにより、ファラデーミラーを用いることなく、伝送路での偏光状態の攪乱に対して安全性が損なわれない量子暗号システムを提供することができる。
【００２１】
本発明の第３の効果としては、ファラデーミラーを用いることなく上記第２のステーション（送信機）入射時と送出時の光信号の偏光方向を直交させることにより、環境温度の変化やファラデー素子の精度によって暗号鍵生成速度が変化しない量子暗号システムを提供することができる。
本発明の第４の効果としては、上記第２のステーション（送信機）内で、直交する２つの偏光成分に分け、各々の偏光成分を９０度回転させて合成する際に前記９０度回転からのずれ成分を除去することによって、上記第２のステーション内での偏光回転角精度によって暗号鍵生成速度が変化しない量子暗号システムを提供することができる。
【００２２】
入射した光パルスを直交偏光成分に分割し、直交偏光成分間に１８０度の位相差を与え、各々の偏光を９０度回転させ、分割した直交偏光成分を合成する際に前記９０度回転からのずれを除去することにより伝送路での偏光状態の攪乱に対して安全性が損なわれない折り返し構成をとりながら、暗号鍵生成速度の劣化の要因となるファラデーミラーを用いることなく上記９０度の偏光回転を精度良く実現し、また偏光依存性のある位相変調器が使用できる量子暗号システムを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
特に、本発明の通信システムは、第１のステーションと、光の媒体となる伝送路と、第２のステーションとからなる通信システムであって、前記第１のステーションは、時間的に分割された光パルスを前記伝送路に放出し、前記第２のステーションで変調された後、前記伝送路に戻し、前記第１のステーションで前記伝送路から折り返してきた光パルス間の位相差を測定し、前記第２のステーションは、前記時間的に分割された光パルスを第１の直交偏光成分と第２の直交偏光成分に分割する偏光ビームスプリッタと、前記第１の直交偏光成分を受信し、前記時間的に分割された光パルス間に乱数ビットの値に対応して位相差を与える第１の位相変調器と、前記第２の直交偏光成分の偏光方向を９０度回転した後、前記第２の直交偏光成分を受信し、前記時間的に分割された光パルス間に前記乱数ビットの値に対応した位相差と同じ大きさの位相差を与え、前記第１の直交偏光成分と前記第２の直交偏光成分の間に１８０度の位相差を与える第２の位相変調器とを備え、前記第１の位相変調器の出力は偏光方向を９０度回転させた後、前記偏光ビームスプリッタにおいて前記第２の位相変調器の出力と合成され、前記伝送路に再び戻されるようにした。
【００２４】
また、本発明の通信方法は、第１のステーションで、時間的に分割された光パルスを伝送路に放出し、第２のステーションで変調した後、前記伝送路へ戻し、前記伝送路から折り返してきた光パルス間の位相差を測定し、前記第２のステーションにおいて、偏光ビームスプリッタにより、前記時間的に分割された光パルスを第１の直交偏光成分と第２の直交偏光成分に分割し、前記第２のステーションにおいて、第１の位相変調器により、前記第１の直交偏光成分を受信し、前記時間的に分割された光パルス間に乱数ビットの値に対応して位相差を与え、前記第２のステーションにおいて、第２の位相変調器により、前記第２の直交偏光成分の偏光方向を９０度回転した後、前記第２の直交偏光成分を受信し、前記第１の位相変調器により前記時間的に分割された光パルス間に与えたのと同じ大きさの位相差を与え、前記第１の直交偏光成分と前記第２の直交偏光成分の間に１８０度の位相差を与え、前記第１の位相変調器の出力を偏光方向を９０度回転させた後、前記偏光ビームスプリッタにおいて前記第２の位相変調器の出力と合成し、前記伝送路に再び戻すようにした。
【実施例】
【００２５】
本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の実施例としての通信システム（量子暗号システム）の概略構成図である。
この図に示すように、本発明の量子暗号システムは、第１のステーション（受信機）１、伝送路２、第２のステーション（送信機）３からなり、第１のステーション１から光パルスを伝送路２に放出し、第２のステーション３で変調した後、伝送路２に戻し、第１のステーション１でビット値を測定する。
【００２６】
このように、第１のステーション１は時間的に分割された光パルスを伝送路２に放出し、伝送路２から折り返してきた光パルス間の位相差を測定する手段を有する。
そこで、第１のステーション１から伝送路２へ放出された時間的に２分割された光パルスは、伝送路２で偏光状態に攪乱を受けた後、第２のステーション３に入射する。第２のステーション３内で、光パルスは、直交する２つの偏光成分に分けられ、一つの偏光成分はそのまま第一の位相変調器に入る。もう一方の偏光成分は偏光方向を９０度回転された後、第二の位相変調器に入射する。第一の位相変調器は第１のステーション１で時間的に分割された光パルス間に乱数ビットの値に対応して位相差を与え、第二の位相変調器は光パルス間に第一の位相変調器が与えたのと同じ大きさの位相差を与える。同時に異なる同一の光パルスの直交偏光成分の間には１８０度の位相差を与えるようにする。第一の位相変調器の出力は偏光方向を９０度回転された後、第二の位相変調器の出力と合成される。合波された光は減衰器で１ビットあたりの光子数が１以下になるまで減衰された後、再び伝送路２を戻される。以上の過程を経て第１のステーション１に戻った時間的に２分割された光パルス間には乱数ビットに対応した位相差が与えられ、偏光方向が反転している。第１のステーション１内の干渉計により光パルス間の位相差を測定することにより、送信された乱数ビットの値を知ることができる。
【００２７】
伝送路２での攪乱にかかわらず、第１のステーション１から放出した偏光に対して直交した偏光が第１のステーション１に戻ることは以下のように数式を用いて説明できる。偏光を２次元のベクトル
【００２８】
【数１】
0005142095.tif 000002
で表すと、偏光の攪乱は偏光の回転
【００２９】
【数２】
0005142095.tif 000003
と直交偏光成分間の位相差
【００３０】
【数３】
0005142095.tif 000004
で引き起こされる。伝送路２を通過した後の偏光の状態は一般に
【００３１】
【数４】
0005142095.tif 000005
と表せることが知られている。ここで、光の進行方向を反転すると偏光はＥx ′→Ｅx ′、Ｅy ′→−Ｅy ′のように変化する。さらに、直交偏光成分の間に１８０度の位相差を与え、偏光方向を９０度回転させると伝送路２に再び放出される偏光状態は
【００３２】
【数５】
0005142095.tif 000006
と表せる。再び伝送路２を通過させると伝送後に得られる偏光は次のようになる。
【００３３】
【数６】
0005142095.tif 000007
ここで、
【００３４】
【数７】
0005142095.tif 000008
を使うと、
【００３５】
【数８】
0005142095.tif 000009
となり、伝送路２での偏光の攪乱によらず元の偏光に直交した偏光が戻ることがわかる。このようなことが成立する条件は光パルスが伝送路２を往復する時間内で伝送路特性の性質が変化しないことである。例えば、光ファイバ５０ｋｍを光パルスが往復するのに必要な時間は０．５ｍｓであるが、光ファイバの偏光状態は数秒から数時間変化しないことが知られており、この条件は満足される。
【００３６】
図２は本発明の実施例としての受信機（第１のステーション）の構成図である。
この図に示すように、第１のステーション１は光源１１、サーキュレータ１２、ビームスプリッタ１３、偏波コントローラ１４、位相変調器１５、偏光ビームスプリッタ１６および光子検出器１７，１８からなる。
光源１１を出た光パルスはサーキュレータ１２を通りビームスプリッタ１３で２分割される。２分割された光の一方は位相変調器１５を通って偏光ビームスプリッタ１６に入射する。分割されたもう一方の光も偏光ビームスプリッタ１６の別の端子に入るが、偏光の向きは偏波コントローラ１４により９０度回転されている。分割された光は偏光ビームスプリッタ１６により合波された後、時間的に２分割された光パルスとして伝送路２に放出される。ビームスプリッタ１３で分割されてから偏光ビームスプリッタ１６により合波されるまでの光路差は時間的に２分割された光パルスの時間差が光のパルス幅より長く、パルス間隔より短い時間になるように設定される。
【００３７】
伝送路２を通過した光は第２のステーション３に入る。
図３は本発明の実施例としての送信機（第２のステーション）の構成図であり、図４は本発明の実施例としての第２のステーション内を伝搬する光パルスの時間順序の説明図である。
この図に示すように、第２のステーション３は偏光ビームスプリッタ３１、定偏波光ファイバ３２，３３、位相変調器３４、光減衰器３５から構成される。
【００３８】
入射した光は、第２のステーション３内で光減衰器３５を通った後、偏光ビームスプリッタ３１で直交した偏光成分に分離され、図４に示すように、４つの光パルス３０１〜３０４になる。図中、光パルス３０１は第１の分割された光パルスの一偏光成分、光パルス３０２は第１の分割された光パルスの直交偏光成分、光パルス３０３は第２の分割された光パルスの一偏光成分、光パルス３０４は第２の分割された光パルスの直交偏光成分にそれぞれ対応する。各々の偏光成分は偏光ビームスプリッタ３１の端子３１２，３１３に現れるが、端子３１２，３１３はそれぞれ電界ベクトルの向きを遅軸に合わせた定偏波光ファイバ３２，３３に結合される。定偏波光ファイバ３２，３３は位相変調器３４の両端にそれぞれ接続される。電界ベクトルの向きを定偏波光ファイバ３２，３３の遅軸に合わせているため、位相変調器３４に入射する偏光の向きは全ての光パルスで同一になる。このとき、一方の偏光成分に対応したパルス３０１と３０３は他の偏光成分に対応した光パルス３０２と３０４より時間Ｔだけ早く位相変調器３４に入射するように定偏波光ファイバ３２，３３の長さを設定する。ただし、時間Ｔは光パルスの時間幅より大きく、２分割された光パルスの時間間隔より小さくする。位相変調器３４を出た光パルス３０１と３０３は定偏波光ファイバ３３を通って偏光ビームスプリッタ３１の端子３１３に入る。また、位相変調器３４を出た光パルス３０２と３０４は定偏波光ファイバ３２を通って偏光ビームスプリッタ３１の端子３１２に入る。光パルス３０１と３０２、３０３と３０４は同じ定偏波光ファイバ３２，３３を逆方向に進行したので偏光ビームスプリッタ３１には同じ時刻に入射し、合波される。合波された光パルスは光減衰器３５を通り、２分割された光パルスを合わせた平均光子数が０．１から１の間に設定された値になるように減衰された後、伝送路２を逆に伝播して第１のステーション１に戻る。
【００３９】
上記の第２のステーション３において偏光を９０度回転させるために定偏波光ファイバ３２，３３の遅軸に電界ベクトルを合わせたが、ファイバ内で偏光が保存される方向であればどの方向に合わせても良い。また、無偏波の単一モード光ファイバあるいは空間を伝播させ、波長板などからなる偏光調整器を用いて偏光を回転させても良い。
光減衰器３５は第２のステーション３側に置いたが第２のステーション３から第１のステーション１へ向かう平均光子数が０．１から１の間に設定された値になるように第１のステーション１側に置くようにしても良い。
【００４０】
そこで、図４に示されるように、端子３１２と３１３を出た光は、位相変調器３４までの光路長が異なるため、図４（Ａ）から（Ｆ）まで時間が経過する間の異なった時刻に位相変調器３４に入射する。このため、パルス間隔に同期して位相変調器３４に印加する電圧を変化させることによって各々の光パルスに異なった位相差を与えることができる。各光パルスに与える位相差を表１に示すように設定する。
【００４１】
【表１】
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時間的に分割された光パルス３０１と３０３の間に、乱数ビットの値が“０”のとき０度または９０度の位相差を与え、“１”のとき１８０度または２７０度の位相差を与える。光パルス３０１と３０３の直交偏光成分である光パルス３０２と３０４の間には光パルス３０１と３０３の間と同じ大きさの位相差を与え、同時に光パルス３０１と３０２、３０３と３０４の間には１８０度の位相差を与える。
【００４２】
各々の光パルスは偏光ビームスプリッタ３１から出たときは異なる端子に戻るため、偏光ビームスプリッタ３１からは元とは直交した偏光で端子３１１から出射する。
各々の光パルスを分離、合成する際に偏光ビームスプリッタを使用することによって偏光の９０度回転の精度によらず安定した暗号鍵生成が行えることは以下のように説明できる。
【００４３】
偏光ビームスプリッタにおける偏光成分の分離と合成に関して図６を用いて説明する。偏光ビームスプリッタとは、広義では入射光を２つの直交する偏光成分に分離する光学系の総称であるが、ここでは光通信分野で一般的に用いられている構成を取り上げる。この構成は、図６（Ａ）に示すように、２つのプリズムと誘電体多層膜を組み合わせることにより、反射・屈折の際のブリュースター角を利用して、入射面と直交するｓ偏光成分６１４だけを反射して入射面内にあるｐ偏光成分６１５だけを透過する。伝送路より偏光ビームスプリッタ６１の端子６１１に入射した光パルスは、各々の偏光成分（ｓ偏光成分６１６，ｐ偏光成分６１７）が端子６１２と６１３に分離されて出射される。
【００４４】
各々の偏光成分は９０度偏光回転されて偏光ビームスプリッタ６１から出た時と異なる端子に戻るが、この際回転角が９０度よりずれており、純粋な直線偏光状態ではないと仮定する。具体的には、図６（Ｂ）に示すように端子６２２より光が出射した場合、出力時には純粋なｓ偏光６２６のみの直線偏光となっており、９０度偏光回転されて端子６２３に入射する際には純粋なｐ偏光６２７のみの直線偏光となっているはずであるが、偏光回転角のずれのため、一部ｓ偏光成分６２８も含んだ偏光状態となっている。しかし、この光のうちｐ偏光成分６２７は偏光ビームスプリッタ６２を透過して（ｐ偏光成分６２５）端子６２１より伝送路へと送り返されるが、ｓ偏光成分６２８は偏光ビームスプリッタ６２において反射され（ｓ偏光成分６２９）端子６２４に送り出される。
【００４５】
一方、偏光ビームスプリッタの端子６３３からｐ偏光６３７が出射される場合を図６（Ｃ）に示す。この場合も同様に端子６３２にｓ偏光６３８のみ入射するはずが、一部ｐ偏光成分６３６も含んでいる。この光のうちｓ偏光成分６３８は偏光ビームスプリッタ６３で反射され（ｓ偏光成分６３５）端子６３１より伝送路へと送り返されるが、ｐ偏光成分６３６は偏光ビームスプリッタ６３を透過して（ｐ偏光成分６３９）端子６３４から出射される。ここで端子６２４、６３４を終端しておけばこれらの光が干渉計に戻ることはない。第２のステーション内部での偏光回転角が９０度よりずれると、第１のステーションで適切な変調を施すことができないため、干渉計の明瞭度が損なわれ暗号鍵生成精度が劣化するが、以上のように第２のステーション内部において偏光成分の分離・合成に偏光ビームスプリッタを使用すると、この劣化を防ぐことができる。
【００４６】
以上の例では４端子の偏光ビームスプリッタに関して述べたが、３端子の偏光ビームスプリッタで端子６２４，６３４に対応する部分に無反射終端処理が施されていても同様の効果が得られる。また偏光ビームスプリッタの構成も上記構成に限らず、一軸性光学結晶を使用したものやファイバ融着型のものでもよい。
以上のようにして第２のステーション３では光の進行方向の反転、偏光の９０度回転、偏光の直交成分間に１８０度の位相差の３つの操作を行っている。特に、本実施の形態では直交する偏光成分の光が同一の経路を逆方向に伝播するため、光路における攪乱は打ち消されて安定な第２のステーション３が実現できる。
【００４７】
伝送路２を逆方向に伝播した光パルスは伝送路２を経て再び第１のステーション１に入る。光パルスは偏光ビームスプリッタ１６で偏光方向により光路が分けられる。第１のステーション１に戻った時間的に２分割された光パルスの偏光は第１のステーション１を出たときのものと直交しているから、第１のステーション１での光路差は打ち消されてビームスプリッタ１３には同時に入射する。片方の光路で偏波コントローラ１４により偏光が９０度回転しているからビームスプリッタ１３上で２つの光路を通った光の間で干渉が起きる。受信者は位相変調器１５で０度または９０度の位相変調を選択して印加する。第２のステーション３でビット値“０”に対応して光パルス３０１と３０３との間に０度の位相変調を行ったとすると、受信者が位相変調器１５で０度の位相変調を行ったときには光子検出器１７でのみ光子が観測される。第２のステーション３でビット値“１”に対応して光パルス３０１と３０３との間に１８０度の位相変調を行ったとすると、受信者が位相変調器１５で０度の位相変調を行ったときには光子検出器１８でのみ光子が観測される。
【００４８】
同様に、第２のステーション３でビット値“０”に対応して光パルス３０１と３０３との間に９０度の位相変調を行ったとすると、受信者が位相変調器１５で９０度の位相変調を行ったときには光子検出器１７でのみ光子が観測され、第２のステーション３でビット値“１”に対応して光パルス３０１と３０３との間に２７０度の位相変調を行ったとすると、受信者が位相変調器１５で９０度の位相変調を行ったときには光子検出器１８でのみ光子が観測される。このように第２のステーション３の位相変調に対して第１のステーション１で行う位相変調の大きさが適切であるとき、光子検出器１７と１８のいずれで光子が検出されるかにより、第１のステーション１において送信されたビット値を確定することができる。具体的には、第１のステーション１で行う位相変調の深さは、０度、９０度、１８０度、２７０度のいずれかである。
【００４９】
上記の実施の形態において、直交偏光成分間に１８０度の位相差を与える手段と偏光を各々９０度回転させる手段としてファラデー回転子を用いて構成することができる。そのための構成を参考例として図５に示す。
この参考例では、ファラデー回転子５１が必要になるが、位相変調器３４は時間的に分割された光パルスのうち光パルス３０３と３０４に等しい大きさの位相を与えればよいので、位相変調器３４に印加する電圧の周期を２倍にでき、電圧制御回路の構成が容易になるという効果を奏する。
【００５０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、暗号鍵を光ファイバ通信により共有する量子暗号システムとして利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の量子暗号システムの実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の量子暗号システムの第１のステーションの実施の形態を示す構成図である。
【図３】本発明の量子暗号システムの第２のステーションの実施の形態を示す構成図である。
【図４】本発明の量子暗号システムの第２のステーション内を伝播する光パルスの時間順序の説明図である。
【図５】本発明の量子暗号システムの第２のステーションの参考例を示す構成図である。
【図６】本発明の量子暗号システムの偏光ビームスプリッタにおける偏光成分の分離と合成を説明する図である。
【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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