(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの異なる時間空間的局在特性をもつ単一光子量子波束状態の重ね合わせにより表現される４非直交状態を用いる量子暗号鍵配付プロトコルに基づいて、正規送受信者間で秘密鍵を共有する量子暗号鍵配布システムにおいて、
｛０，π，π／２，３π／２｝の４種の変調値を光子に与える位相変調器を内包する対称マッハツェンダー型干渉スイッチと、光カップラーと、異なる光学長を持つ導波路と、により構成された非対称マッハツェンダー干渉光学系、を含む送信器と、
非対称マッハツェンダー干渉光学系と、該非対称マッハツェンダー干渉光学の２つの出力ポートへの到着光子を検出する光子検出器と、到着光子の到着時間を記録する記録装置と、を含む受信器と、を具備し、
正規送信者は、０、π、π／２、３π／２のいずれかにより変調した光子を正規受信者に送信し、その後、正規受信者に対して位相変調値が、｛０，π｝、｛π／２，３π／２｝のいずれのセットに含まれるかという情報を公開通信路で公開し、
前記正規受信者は前記情報を基に、どの到着時間の光子で秘密鍵を構成するか、および前記位相変調値と相関し到着光子が検出された出力ポートを示す光子到着ポートデータまたは前記位相変調値と相関し到着光子の検出時間を示す光子到着時間データのいずれを用いて秘密鍵を構成するか、を決定することを特徴とする量子暗号鍵配布システム。
【請求項２】
請求項１記載の量子暗号鍵配布システムにおいて、
対称マッハツェンダー型干渉スイッチは、非対称マッハツェンダー干渉系の光分岐カップラーの位置に設けられていることを特徴とする量子暗号鍵配布システム。
【請求項３】
請求項１記載の量子暗号鍵配布システムにおいて、
対称マッハツェンダー型干渉スイッチは、非対称マッハツェンダー干渉系の光合波カップラーの位置に設けられていることを特徴とする量子暗号鍵配布システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、暗号による情報の秘匿伝送を行う量子暗号鍵配布方法および通信システムに関し、特に、量子暗号プロトコルに基づいて、無条件に安全に共通鍵暗号に使用する秘密鍵を遠隔２者間で共有する量子暗号鍵配布方法および通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
量子鍵配付プロトコルとして、現在までに非直交４状態を用いた暗号、非直交２状態を用いた暗号、２粒子量子干渉を用いた暗号、時間差干渉暗号の各プロトコルが提案されている。これらの各プロトコルについては特開２０００−２８６８４１号公報に詳述されている。本発明はこれらの暗号のうち、非直交４状態を用いた量子暗号鍵配付プロトコルを用いた量子暗号鍵配付装置に関するものである。
【０００３】
非直交４状態を用いた量子暗号鍵配付プロトコル（以下、文献に従い、ＢＢ８４プロトコルと表記する）においては、非直交４状態として４つの非直交な偏光状態を用いた方法や、異なる時間空間的局在特性をもつ少数光子からなる量子波束状態の重ね合わせにより表現される４非直交状態を用いる方法が実用化を目指して研究開発されている。
【０００４】
これらの方法については、「INTRODUCTION TOQUANTUM COMPUTATION AND INORMATION（Hoi-KwongLoら編著）」（WorldScientific、１９９８年出版）の１２０ページにあるHugoZbindenによる「ExperimentalQuantum Cryptography」や、「ThePhysics of Quantum Information（D.Bouwmeesterら編著）」（Springer、２０００年出版）の１５ページにあるA.Ekertらによる「QuantumCryptography」に詳しい説明がある。
【０００５】
４非直交偏光状態を用いる方法は、安定かつ特性のそろった偏光素子を送受信用エンコーダー及びデコーダーに用いることができる反面、送受信者間の偏光状態のトラッキング制御が必要であり、制御が複雑になるという問題点がある。また、空間光に対して作用するバルクの偏光素子を用いるため、装置の小型化が難しく光学ロスも大きいという問題点がある。
【０００６】
他方、異なる時間空間的局在特性をもつ少数光子からなる量子波束状態の重ね合わせにより表現される４非直交状態を用いる方法では、偏光制御は不要で、光学ロスが少なく、小型の導波路素子で送受信用エンコーダー及びデコーダーを構成することが可能であるが、安定かつ特性の揃った干渉系を構成することが難しいという問題点がある。この問題点は、干渉系デバイスをモノリシック化することにより克服することが可能である。
【０００７】
上述した両方式の可能性に関しては現在のところ、欧米や国内研究機関において精力的に研究が行われているところである。
【０００８】
以下、本発明に関わる、異なる時間空間的局在特性をもつ単一光子からなる量子波束状態の重ね合わせにより表現される４非直交状態を用いる量子鍵配付方法についての従来技術を詳細に説明する。
【０００９】
図７は従来技術の量子鍵配付装置の構成を示す図である。図中、左側曲線内は送信者が利用する送信サイト１００、右側曲線内は受信者が利用する受信サイト２００を示している。送信サイトの光源１で発生する周期的なコヒーレント光パルスは、３ｄＢカプラ２で非対称マッハツェンダー干渉系を構成する長距離伝送路３および短距離伝送路４に分岐される。長距離伝送路３には光学的遅延路５が挿入され、他方、短距離伝送路４には位相変調器６が挿入されている。位相変調器６ではθA＝０、π／２、π、３π／２の４値からランダムに選んだ位相変調が周期的に到着する各々の光パルスに与えられ、位相変調値の記録が残される。
【００１０】
長距離伝送路３および短距離伝送路４を通過したレーザパルス光は３ｄＢカプラ７で合波され、アッテネータ８により平均光子数０．１程度の微弱光パルスに減衰された後、量子通信チャネル９を通じて受信サイト２００の受信者に送付される。受信サイトに到達した微弱光パルスは、３ｄＢカプラ１０により、非対称マッハツェンダー干渉系を構成する、長距離伝送路１２および短距離伝送路１１に分岐される。長距離伝送路１２には光学的遅延路５と同じ光学遅延路１４が挿入され、他方、短距離伝送路１１には位相変調器１３が挿入されている。
【００１１】
位相変調器１３ではθB＝０、π／２の２値からランダムに選んだ位相変調が周期的に到着する各々の光パルスに与えられ、位相変調値の記録が残される。長距離伝送路１２および短距離伝送路１１を通過した微弱光パルスは３ｄＢカプラ１５で合波され、各ポートの出力光は単一光子検出器１６および単一光子検出器１７に接続される。受信者は、後で詳しく述べるような方法で、単一光子検出器１６および単一光子検出器１７の光子検出結果を記録する。
【００１２】
次に、以上に説明した従来の量子暗号装置の動作原理について説明する。送信サイト１００から送出される微弱光パルスの量子状態は、光子検出測定にかからない真空状態成分を無視すると、近似的に送信サイト１００の干渉系を構成する長距離伝送路３を通過した単一光子状態|l>A、短距離伝送路４を通過した単一光子状態|s>Aの重ね合わせ状態：
【００１３】
【数１】
0004462806.tif 000002
【００１４】
（式１）
となる。ΨA＝０、π／２、π、３π／２に対応する状態のうち、
【００１５】
【数２】
0004462806.tif 000003
【００１６】
は互いに直交し、
【００１７】
【数３】
0004462806.tif 000004
【００１８】
は互いに直交する。従って、状態の組
【００１９】
【数４】
0004462806.tif 000005
【００２０】
は異なる時間空間的局在特性をもつ単一光子からなる量子波束状態|s>Aおよび|l>Aで張られる２次元量子状態空間の完備基底系であるが、これらの基底系は互いに非直交である。従って、これら４つの量子状態をＢＢ８４プロトコルに適用することができる。
【００２１】
次に、受信サイト２００に設けられた装置の動作を説明する。受信サイト２００は送信サイト１００と両腕の光路長差が正確に等しい非対称マッハツェンダー干渉系を具備している。このため、送信サイト１００の干渉系において、長距離伝送路３を通過し、受信サイト２００の干渉系において短距離伝送路１３を通過した単一光子状態|l>A|s>Bと、送信サイト１００の干渉系において短距離伝送路４を通過し、受信サイト２００の干渉系において長距離伝送路１４を通過した単一光子状態|s>A|l>Bは、３ｄＢカプラ１５の上で時間空間的にオーバラップし、干渉する。
【００２２】
図８は受信サイト２００にて観測される光子の検出信号を光子検出時間に対して模式的に示した図である。光子が送受信サイトの干渉系の２つの腕を通過する組合せにより、３つの異なる時間スロットに光子が検出器に到着する可能性がある。
【００２３】
受信サイト２００に到着したうちの半分の光子は、中央の時間スロットに観測され、これが３ｄＢカプラ１５の上でオーバラップして干渉し、ポートD0またはD1に出力される。残りの半分の光子は図８における左右のサテライトの時間スロットに検出器に到着するが、受信サイト２００ではこのような到着光子を単純に無視し、光源１の光パルス送出周期に同期して、中央の時間スロットに光子が検出されたか否か、また、どちらの出力ポートに検出されたかを記録する。着目した中央の時間スロットに到着した光子がD0（D1）ポートの光子検出器１６（１７）に検出される確率は、干渉により、
【００２４】
【数５】
0004462806.tif 000006
【００２５】
と、θA−θBの関数となる。θA−θB＝０（π）に対応する光子は確率１で決定論的にD0（D1）ポートの光子検出器１６（１７）に向かう。他方、θA−θB＝π／２，３π／２に対応する光子は１／２の確率でD0（D1）ポートの光子検出器１６（１７）に向かう。
【００２６】
受信サイト２００の正規受信者は、送信サイト１００の送信者と量子通信終了後に公衆チャネルで打ち合わせを行い、図８における中央のスロットに到着した光子の検出ポートの記録と送信者と受信者の位相変調値の記録をつきあわせることにより、共有鍵に対応する送信者の位相変調値θAそのものの値を晒すことなく受信サイト２００で中央の時間スロットにて検出され、かつ、決定論的な結果を生み出すθA−θB＝０，πとなる変調を施した光子に対応する記録を、全体の記録の中から抽出することができる。
【００２７】
抽出した記録は全体の記録の半分であり、この記録においては送信者が光子に施した位相変調値の記録と受信者の光子検出ポートの記録の間には完全な相関が生じる。従って、送信者の位相変調値と受信者の光子検出ポートの記録に適当なビット０／１を割り当てることにより、送信者と受信者との間でランダムビット列から成る秘密鍵を共有することが可能になる。
【００２８】
盗聴者は送信者および受信者の位相変調値を光子伝送時点には共有することができない。また、受信者が利用する受信サイトにおいて光子が中央の時間スロットに検出されるかサテライトの時間スロットに検出されるかをコントロールすることもできない。従って、光子伝送時に受信者が利用する受信サイトにおいて中央の時間スロットに検出され、決定論的な結果を生み出すこととなる変調を施した光子に対応する記録を送信者および受信者と共有することはできない。送信者および受信者の共有鍵を盗聴者が痕跡無く盗聴することは、量子力学的相補性により不可能であることが、伝送光子が単一光子である場合には厳密に証明されている。
【００２９】
盗聴者の盗聴行為は、上記のようにして抽出した送信者の位相変調値の記録と受信者の光子検出ポートの記録の間に不完全な相関を生じさせ、不完全な共有鍵の生成をもたらす。送信者と受信者は不完全な共有鍵のビットエラーレートの評価により、盗聴者の盗聴情報量上限値をおさえることが可能である。この盗聴情報量を基に、不完全な共有鍵からエラー訂正、秘匿性増強などの論理的アルゴリズムにより理論上無条件に安全な鍵を生成することが可能である。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
以上の量子鍵配付装置においては、受信者の装置に到着した光子のうち、図８に示す左右のサテライトの時間スロットに検出器に到着した光子を無視し、中央の時間スロットに到着した光子のみを用いていた。従って、左右のサテライトの時間スロットに到着した光子は無駄になっていた。従ってこの装置においては、受信者のサイトに到着した光子の利用効率は０．５であり、言い換えれば３ｄＢの損失がこの時間選択的観測において無条件に発生するという問題点があった。
【００３１】
本発明は、上記の従来技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、異なる時間空間的局在特性をもつ単一光子からなる量子波束状態の重ね合わせにより表現される４非直交状態を用いる量子鍵配付方法および装置において、受信者の時間選択的観測による光子のロスを防ぎ、効率１で到着光子を利用することのできる量子暗号鍵配布方法および通信システムを提供することを目的とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明の量子暗号鍵配布システムは、２つの異なる時間空間的局在特性をもつ単一光子量子波束状態の重ね合わせにより表現される４非直交状態を用いる量子暗号鍵配付プロトコルに基づいて、正規送受信者間で秘密鍵を共有する量子暗号鍵配布システムにおいて、
｛０，π，π／２，３π／２｝の４種の変調値を光子に与える位相変調器を内包する対称マッハツェンダー型干渉スイッチと、光カップラーと、異なる光学長を持つ導波路と、により構成された非対称マッハツェンダー干渉光学系、を含む送信器と、
非対称マッハツェンダー干渉光学系と、該非対称マッハツェンダー干渉光学の２つの出力ポートへの到着光子を検出する光子検出器と、到着光子の到着時間を記録する記録装置と、を含む受信器と、を具備し、
正規送信者は、０、π、π／２、３π／２のいずれかにより変調した光子を正規受信者に送信し、その後、正規受信者に対して位相変調値が、｛０，π｝、｛π／２，３π／２｝のいずれのセットに含まれるかという情報を公開通信路で公開し、
正規受信者は前記情報を基に、どの到着時間の光子で秘密鍵を構成するか、および前記位相変調値と相関し到着光子が検出された出力ポートを示す光子到着ポートデータまたは前記位相変調値と相関し到着光子の検出時間を示す光子到着時間データのいずれを用いて秘密鍵を構成するか、を決定することを特徴とする。
【００３３】
この場合、対称マッハツェンダー型干渉スイッチは、非対称マッハツェンダー干渉系の光分岐カップラーの位置、または、非対称マッハツェンダー干渉系の光合波カップラーの位置に設けられることとしてもよい。
【００３５】
上記のように構成される本発明においては、受信サイトは送信サイトと両腕の光路長差が正確に等しい非対称マッハツェンダー干渉系を具備している。このため、位相変調値φA＝０、π／２、π、３π／２のうち、位相変調値が、｛０，π｝、｛π／２，３π／２｝で変調したものは互に直交するものとなり、光子検出器、もしくは検出タイミングと相関するものとなる。このため、従来利用されていなかった変調光も信号として利用されるので、光利用効率が向上する。
【００３６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３７】
図１は本発明の第１の実施の形態の要部構成を示す図であり、以下その作用について説明する。
【００３８】
光源２１により発生する周期的なコヒーレント光パルスを、後に述べるマッハツェンダー型干渉スイッチ２２で非対称マッハツェンダー干渉系を構成する長距離伝送路２３および短距離伝送路２４に分岐する。長距離伝送路２３には１／４波長相当分の光学的遅延路２５が挿入されている。長距離伝送路２３および短距離伝送路２４を通過したレーザパルス光は３ｄＢカプラ２６で合波され、アッテネーター２７により平均光子数０．１程度の微弱光パルスに減衰された後、量子通信チャネル２８に接続される。
【００３９】
送信者は、マッハツェンダー型干渉スイッチ２２で光源２１から周期的に到着する各々の光パルスにφA＝０、π／２、π、３π／２の４値からランダムに選んだ位相変調を与えることにより、後に述べる４つの量子状態をランダムに量子通信チャネル２８を通じて受信者に送出し、同時に位相変調値を記録する。受信者のサイトに到達した微弱光パルスは、３ｄＢカプラ２９により、非対称マッハツェンダー干渉系を構成する、長距離伝送路３０および短距離伝送路３１に分岐される。長距離伝送路３０および短距離伝送路３１を通過した微弱光パルスは３ｄＢカプラ３２で合波され、各ポートの出力光は単一光子検出器３３および３４に接続される。受信者は、後で述べるような方法で、単一光子検出器３３および３４の光子検出結果を記録する。
【００４０】
マッハツェンダー型干渉スイッチ２２は、図２に示される内部構造を有する。マッハツェンダー型干渉スイッチ２２は、３ｄＢカプラ４１および４２からなる対称型マッハツェンダー干渉系の、少なくとも一方の光路に位相変調器４３を配置した、いわゆる光振幅変調器と同様の構造を持ち、入力ポートＡ、Ｂおよび出力ポートＡ’、Ｂ'する。位相変調器としてはリチウムナイオベートを用いた変調器のような電気光学型デバイスを用いることができる。Ａポートに入力するコヒーレント光の複素振幅をaとし、Ｂポートを解放する（無入力）と、この位相変調器４３に位相シフトがφA＝φなるような電圧を印可したときのＡ'ポート／Ｂ'ポートの光出力の振幅は
【００４１】
【数６】
0004462806.tif 000007
【００４２】
となる。従って、位相シフトがφA＝０となるような電圧を印可したときＡ’ポート／Ｂ’ポートの光出力の振幅はα／０となり、φA＝πとなるような電圧を印可したときＡ’ポート／Ｂ’ポートの光出力の振幅は０／ｉｄとなる。さらに、この位相変調器４３にφA＝０２となるような電圧を印可したときＡ’ポート／Ｂ’ポートの光出力の複素振幅は
【００４３】
【数７】
0004462806.tif 000008
【００４４】
となり、φA＝３π／２となるような電圧を印可したときＡ’ポート／Ｂ’ポートの光出力の複素振幅は
【００４５】
【数８】
0004462806.tif 000009
【００４６】
となる。このような動作特性をもつマッハツェンダー型干渉スイッチは、干渉系の光路長差や３ｄＢカプラ４１、４２の特性を設計することにより、実現可能である。マッハツェンダー型干渉スイッチ２２の２つの出力ポートＡ’、Ｂ’は、非対称マッハツェンダー干渉系を構成する長距離伝送路２３および短距離伝送路２４に接続されている。
【００４７】
以下、本発明による量子暗号鍵配布装置の動作原理について説明する。
【００４８】
マッハツェンダー型干渉スイッチ２２の入力ポートＡから複素振幅aのコヒーレント光パルスを入力したとき、送信者の送信サイトから送出される微弱光パルスの量子状態は、光子検出測定にかからない真空状態成分を無視すると、位相変調値φA＝０、π／２、π、３π／２に対してそれぞれ近似的に、
【００４９】
【数９】
0004462806.tif 000010
【００５０】
（式３）
となる。ただし、以下の説明に重要でない位相因子は省略した。ここで、|s>Aおよび|l>Aはそれぞれ送信者の非対称干渉系の長距離伝送路２３および短距離伝送路２４を通過した、時間空間的に局在した単一光子波束であり、図１に示したとおり長距離伝送路２３と短距離伝送路２４の光路長差分だけ|s>Aは|l>Aより受信者側に局在する。φA＝０、π／２、π、３π／２に対応する状態のうち、
【００５１】
【数１０】
0004462806.tif 000011
【００５２】
は互いに直交し、
【００５３】
【数１１】
0004462806.tif 000012
【００５４】
は互いに直交する。従って、状態の組
【００５５】
【数１２】
0004462806.tif 000013
【００５６】
は異なる時間空間的局在特性をもつ単一光子からなる量子波束状態|s>Aおよび|l>Aで張られる２次元量子状態空間の完備基底系であるが、これらの基底系は互いに非直交である。従って、これら４つの量子状態をＢＢ８４プロトコルに適用することができる。
【００５７】
次に、受信者の装置の動作原理を説明する。受信サイトは送信サイトと両腕の光路長差が正確に等しい非対称マッハツェンダー干渉系を具備している。このため、状態
【００５８】
【数１３】
0004462806.tif 000014
【００５９】
に関しては、送信者の干渉系において長距離伝送路２３を通過し、受信者の干渉系において短距離伝送路３１を通過した単一光子状態|l>A|s>B、送信者の干渉系において、短距離伝送路２４を通過し、受信者の干渉系において長距離伝送路３０を通過した単一光子状態|s>A|l>Bは、３ｄＢカプラ３２の上で時間空間的にオーバラップ、干渉し、状態に依存してポートD0またはD1のどちらかに確実に出力される。このような経路を通過してきた光子は、受信者の装置に到着した状態
【００６０】
【数１４】
0004462806.tif 000015
【００６１】
の光子のうちの半数に相当し、従来技術と同様に図８における中央の時間スロットに受信者により観測される。中央の時間スロットに観測された光子に関しては、従来技術同様に送信者の位相変調値と光子の検出ポートは１００％の相関がある。残りの半数の状態
【００６２】
【数１５】
0004462806.tif 000016
【００６３】
の到着光子は図８における左右のサテライトの時間スロットに検出器に到着するが、これらの光子に関しては送信者の位相変調値と光子の検出ポートは相関がないため、受信者はこのような到着光子の検出結果を無視し、捨てる。
【００６４】
一方、状態
【００６５】
【数１６】
0004462806.tif 000017
【００６６】
の光子も図８における各時間スロットに観測されるが、これらの場合、逆に左右のサテライトの時間スロットに検出器に到着した光子の検出時間（左の時間スロットか右の時間スロットか）と送信者の位相変調値の間に１００％の相関がある。このような光子は受信者の装置に到着した状態
【００６７】
【数１７】
0004462806.tif 000018
【００６８】
の光子のうちの半数に相当し、図８における中央のサテライトの時間スロットに検出器に到着した残りの半数の状態
【００６９】
【数１８】
0004462806.tif 000019
【００７０】
の到着光子は、送信者の位相変調値と光子の検出ポートは相関がないため、受信者はこのような到着光子の検出結果を無視し、捨てる。
【００７１】
受信者は、光源１の光パルス送出周期に同期して、従来技術のように中央の時間スロットのみならず、左右のサテライトの時間スロットについても光子が検出されたか否か、どちらの出力ポートに検出されたかを記録する。
【００７２】
正規受信者は送信者と量子通信終了後に公衆チャネルで打ち合わせを行うことにより、光子検出記録と送信者の位相変調値φAの記録をつきあわせる。送信者は送出した全ての光パルスについて、位相変調値φAそのものをさらさずに、φAが｛０，π｝、｛π／２，３π／２｝のどちらの組であったか、言い換えれば送信者が準備した状態は、
【００７３】
【数１９】
0004462806.tif 000020
【００７４】
のどちらの組に属していたかを晒す。受信者はφA＝｛０，π｝の場合はサテライトの時間スロットに検出された光子の記録を抽出し、φA＝｛π／２，３π／２｝の場合は中央の時間スロットに検出された光子の記録を抽出する。前者の記録に関しては検出時間スロットが左であったか右であったか、後者の記録に関しては検出ポートがD0であったかD1であったかが、送信者の位相変調値φAと相関しているので、位相変調値φAと時間スロット／検出ポートに適当にビット０／１を割り当てることにより、送信者と受信者との間でランダムなビット列から成る秘密鍵を共有することが可能になる。
【００７５】
盗聴に対する安全性は、従来技術と変わりなくＢＢ８４プロトコルの安全性に依存している。
【００７６】
本発明の装置においては、従来技術のように図８における中央の時間スロットに到着する光子だけが利用されるのではなく、従来技術では無条件に捨てられていた左右の時間スロットに到着した光子も利用される。従って、本発明の方法における到着光子の利用効率は従来技術の２倍となり、これはＢＢ８４プロトコルで可能な最大の効率に対応し、ロスをなくすことができる。
【００７７】
また本発明による装置は、光子到着の時間スロットに関する光子検出情報を記録し、受信者側の装置には、より高度な光子検出および記録装置が必要となるが、従来技術のような位相変調器を要しない。従って、高価な位相変調器を用いる必要はなく、位相変調器による光学ロスを避けることができる。
【００７８】
図３は本発明による第２の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。
【００７９】
本実施形態は、第１の実施形態におけるマッハツェンダー型干渉スイッチ２２と３ｄＢカプラ２６の挿入位置を入れ換えたものである。本実施形態の場合にも第1の実施形態と動作原理は変わり無く、全く同様に作用する。
【００８０】
以下、本発明のより具体的な実施例について図面を参照して説明する。
【００８１】
図４および図５は、図１に示した本発明による第１の実施形態を基として構成された実施例のブロック図である。
【００８２】
本実施例における光源２１、マッハツェンダー型干渉スイッチ２２、長距離伝送路２３、短距離伝送路２４、光学的遅延路２５、３ｄＢカプラ２６、アッテネーター２７、量子通信チャネル２８、３ｄＢカプラ２９、長距離伝送路３０、短距離伝送路３１、３ｄＢカプラ３２、単一光子検出器３３および３４のそれぞれは図１に示したものと同様であり、同じ番号を付して説明は省略する。
【００８３】
本実施例におけるクロック信号生成装置５１は、システムの繰り返し周波数であるクロックパルスを送信者のタイミング制御装置５２および受信者のタイミング制御装置５３に送出する。送信者が使用するタイミング制御装置５２へのクロックパルス信号は、波長多重のような方式を用いて、量子通信チャネル２８に多重化して伝送することができる。あるいは、原子時計のような高精度のクロック生成器を送信者側と受信者側で独立に持つことも原理的には可能である。
【００８４】
タイミング制御器５２は光源２１から送出された光パルスがマッハツェンダー型干渉スイッチ２２を通過する際に位相変調が施されるように、ランダムパルス発生器５４および光源２１に時間同期したタイミングパルスを供給する。ランダムパルス発生器５４で発生した２ビットのランダムパルスを基に、マッハツェンダー型干渉スイッチ２２は光源２１から周期的に到着する各々の光パルスにφA＝０、π／２、π、３π／２の４値からランダムに選んだ位相変調を与える。同時に２ビットのランダム数値データの時系列は送信者が使用するコンピュータ５５に格納される。
【００８５】
受信者のタイミング制御装置５３は送信者および受信者との間の非対称マッハツェンダー干渉系の長距離伝送路と短距離伝送路の遅延時間に等しい時間間隔の３連パルスをクロック周波数の逆数の周期で生成する。この３連パルスは、単一光子波束の到着時刻に同期して、単一光子検出器３３および３４のゲート信号として与えられる。単一光子検出器３３および３４はゲート信号が与えられた時だけアクティブとなり、光子が到着すれば検出信号を出力する。その他の時間に光子が到着しても検出信号は出力されない。単一光子検出器３３および３４からの検出信号は記録装置５６に入力され、記録装置５６は検出信号がHighの場合には１、lowの場合には０と識別する。
【００８６】
従って、単一光子検出器３３および３４からの検出信号は２ビットのビット時系列を構成する。記録装置５６は同時に、タイミング制御装置５３から３連パルスを単一光子検出器３３および３４からの検出信号と同期したゲート信号を入力する。３連パルスも同様に、Highの場合には１、lowの場合には０と識別する。これらのパルス信号入力をもとに、記録装置５６は単一光子検出器３３および３４からの検出信号とゲート信号の論理和をとることにより、図４中に示される検出時間スロットごとの光子検出の有無のテーブルをクロックパルスに同期して生成する。この６ビットの情報から成るテーブル情報は、非同期に受信者のコンピュータ５７に記録される。
【００８７】
量子信号の伝送後、送信者と受信者は送信者のコンピュータ５５に格納された、位相変調値φAに対応する２ビットのランダム数値データの時系列と、受信者のコンピュータ５７に格納された、検出時間スロットごとの光子検出の有無のテーブルの時系列をもとに、先述したように、光子検出記録と送信者の位相変調値φAの記録をつきあわせる情報交換を行う。この情報交換には、クロック信号の伝送と同様、波長多重のような方式を用いて、量子通信チャネル２８に多重化して伝送することができる。この情報交換から、送信者と受信者は最終鍵をつくる種となる生の鍵を抽出する。
【００８８】
図５は、本発明の第１の実施例にて、送信者が使用するマッハツェンダー型干渉スイッチおよび非対称干渉系の構成を説明するための図である。
【００８９】
送信者が使用するマッハツェンダー型干渉スイッチ２２は、入力側に設けられる３ｄＢカプラ６１とリチウムナイオベートの電気光学効果を用いた光位相変調器６２とから構成されている。非対称干渉系はマッハツェンダー型干渉スイッチ２２の出力側に設けられる３ｄＢカプラ６３、長距離伝送路６４、短距離伝送路６５および１０ｄＢカプラ６６により構成されている。
【００９０】
長距離伝送路６４および短距離伝送路６５は、石英系プレーナ光波回路（ＰＬＣ）技術により作製されており、これらの各導波路は偏光状態に依存することなく、かつ、偏光状態を保存する特性を有している。従って、干渉性を保持するために特別の偏光制御は不要である。また、長距離伝送路６４および短距離伝送路６５の光路長差はその温度を調節することにより制御可能である。図１中の光学的遅延路２５は非対称干渉系が作り込まれたデバイスの動作温度を制御することにより実現されている。また、本実施例においては、石英導波路の光学ロスの非対称性を補正するため、１０ｄＢカプラ６６が用いられている。
【００９１】
図６は受信者側の非対称マッハツェンダー干渉系の一構成例を示した図であり、図５に示したデバイスの非対称干渉系だけからなるサブセットとなっている。
【００９２】
なお、図４は本発明の第１の実施形態を基として構成された実施例として示したが、図３に示した第2の実施例についても全く同様に動作することができる。
【００９３】
以上の実施例においては、干渉デバイスとして導波光学素子を用いた場合について説明したが、一般的な空間光学系を構成するミラーやレンズなどを用いたバルクの光学素子や光ファイバーを用いても構成することができ、このような構成としてもよい。
【００９４】
本実施例の装置によると、受信サイトへの到着光子の利用効率は従来技術の２倍となる。これはＢＢ８４プロトコルで可能な最大の効率に対応することを意味し、ロスをなくすことができる。また本発明の装置においては、受信者の装置に従来必要とされていた位相変調器が不要となる。従って、高価な位相変調器を用いる必要はなく、位相変調器による光学ロスを避けることもできる。
【００９５】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００９６】
本発明の量子暗号装置によれば、従来技術に比較すると２倍の光子利用効率を得ることができ、無条件に安全な共通暗号の秘密鍵の生成を、より効率よく、より安価に行うことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の要部構成を示す図である。
【図２】図１におけるマッハツェンダー型干渉スイッチを説明するための図である。
【図３】本発明による第２の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。
【図４】図１に示した本発明による第１の実施形態を基として構成された実施例のブロック図である。
【図５】図１に示した本発明による第１の実施形態を基として構成された実施例のブロック図である。
【図６】受信者側の非対称マッハツェンダー干渉系の一構成例を示した図であり、図５に示したデバイスの非対称干渉系だけからなるサブセットとなっている。
【図７】従来技術を説明するための図である。
【図８】受信者の光子検出時間を説明するための図である。
【符号の説明】
１  光源
２  ３ｄＢカプラ
３  非対称マッハツェンダー干渉系を構成する長距離伝送路
４  非対称マッハツェンダー干渉系を構成する短距離伝送路
５  光学的遅延路
６  位相変調器
７  ３ｄＢカプラ
８  アッテネーター
９  量子通信チャネル
１０  ３ｄＢカプラ
１１  非対称マッハツェンダー干渉系を構成する、長距離伝送路
１２  非対称マッハツェンダー干渉系を構成する短距離伝送路
１３  光学遅延路
１４  位相変調器
１５  ３ｄＢカプラ
１６  単一光子検出器
１７  単一光子検出器
２１  光源
２２  マッハツェンダー型干渉スイッチ
２３  非対称マッハツェンダー干渉系を構成する長距離伝送路
２４  非対称マッハツェンダー干渉系を構成する短距離伝送路
２５  １／４波長相当分の光学的遅延路
２６  ３ｄＢカプラ
２７  アッテネーター
２８  量子通信チャネル
２９  ３ｄＢカプラ
３０  非対称マッハツェンダー干渉系を構成する長距離伝送路
３１  非対称マッハツェンダー干渉系を構成する短距離伝送路
３２  ３ｄＢカプラ
３３  単一光子検出器
３４  単一光子検出器
４１  ３ｄＢカプラ
４２  ３ｄＢカプラ
４３  位相変調器
５１  クロック信号生成装置
５２  タイミング制御装置
５３  タイミング制御装置
５４  ランダムパルス発生器
５５  コンピュータ
５６  記録装置
５７  コンピュータ
６１  ３ｄＢカプラ
６２  光位相変調器
６３  ３ｄＢカプラ
６４  非対称干渉系の長距離伝送路
６５  非対称干渉系の短距離伝送路
６６  １０ｄＢカプラ
【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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