(57)【要約】【課題】  量子暗号の実際の商業アプリケーションが使用される現場の条件下で、ＱＫＤを実行可能にするタイミングシステムを備えたＱＫＤシステムと、タイミング方法を提供する。【解決手段】  本発明のＱＫＤシステムは、各々のＱＫＤステーションにおいて光モデムを有する。各々のモデムは、光レシーバおよび光トランスミッタが連結されているサーキュレータを含む。光モデムのうち１つは、２つの位相ロックループを含み、他方の光モデムは、位相ロックループと、送信クロックとを含む。ＱＫＤシステムの動作を同期させるために、光モデム間ではタイミングチャネルを介して同期パルスを交換する。位相ロックループは、ＱＫＤステーション間で交換される弱い量子信号の適切な暗号化と検出を確実に行うために、受信タイミングドメインから送信タイミングドメインまでをロックする働きをする。
2006513678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＱＫＤシステムにおける第１および第２量子鍵配送（ＱＫＤ）ステーションの動作を同期させる方法であって、
ａ）前記各々のＱＫＤステーションにおいて、タイミングチャネルを介して前記ＱＫＤステーションの間に接続されている、受信および送信タイムドメインをそれぞれ設定し、
ｂ）レーザ源で放射された量子信号を、前記第１および前記第２ステーションを接続する量子チャネルを介して、前記第１ステーションから前記第２ステーションへ送信し、
ｃ）前記量子信号の前記送信を妨害することなく、前記第１および前記第２ステーションを接続するタイミングチャネルを介して、各々の光トランスミッタから光同期信号を送信し、
ｄ）フレーム同期パルスとデータパルスを含むように、前記光同期信号を形成し、
ｅ）前記２つのＱＫＤステーションの間に鍵を設定するために、前記光同期信号を用いて前記２つのＱＫＤステーションの受信およびタイムドメインをロックすることにより、前記量子信号を暗号化、および前記暗号化された量子信号の検出を行って、前記量子信号の送信を調整する、
ことを備える、第１および第２量子鍵配送（ＱＫＤ）ステーションの動作を同期させる方法。
【請求項２】
前記第１および前記第２ＱＫＤステーションをリンクする共有送信媒体に、前記量子信号および前記同期信号を多重化することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光同期信号の形成は、
ａ）ＦＰＧＡから電気的な同期信号を生成し、
ｂ）前記電気的な同期信号を光トランスミッタで受信し、
ｃ）前記電気的な同期信号を前記光同期信号に変換する、
ことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１ＱＫＤステーションにおける第１光モデム、および前記第２ＱＫＤステーションにおける第２光モデムの間に前記同期信号を送信することを含み、前記第１および前記第２光モデムは各々、光トランスミッタとサーキュレータに連結された光トランシーバを有し、かつ前記サーキュレータは、前記タイミングチャネルに接続されている、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１および前記第２モデムにおける前記光トランスミッタおよび前記光レシーバの前記動作を、前記第１光モデムにおける第１および第２位相ロックループ（ＰＬＬ）と、前記第２光モデムにおける第３ＰＬＬおよび送信クロックとを用いて調整することを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記量子信号の暗号化は、
ａ）データを生成し、かつデータソースセレクタに連結されている、複数のデータソースを有する乱数発生部から乱数を生成し、
ｂ）前記データソースセレクタを用いて前記データソースの１つを選択し、
ｃ）前記選択されたデータソースから変調ドライバへ、前記データを配送する、
ことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記変調ドライバには変調器が連結されており、
ａ）前記同期信号に基づき、前記変調器に前記量子信号の１つの到着に伴って、前記変調ドライバの駆動を調整するゲート信号を前記変調ドライバへ提供し、
ｂ）前記量子信号を、前記変調器を用いて暗号化する、
ことを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記量子信号の送信は、
ａ）前記第１ＱＫＤステーションにおいて、前記量子信号から第１および第２量子パルスを形成し、かつ前記量子パルスを前記第２ＱＫＤステーションへ前記量子チャネルを介して送信し、
ｂ）前記第２ＱＫＤステーションにおいて、前記量子パルスの１つをランダムに変調し、かつ弱い量子パルスを形成するために前記量子パルスを減衰させ、
ｃ）記量子チャネルを介して、前記両方のパルスを前記第１ＱＫＤステーションへ送り返し、
ｄ）前記第１ＱＫＤステーションで、変調されていない前記パルスをランダムに変調する、
ことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記量子信号の送信は、
ａ）前記第１ＱＫＤステーションにおいて、前記各々の量子信号から第１および第２の弱いパルスを形成し、前記第１の弱いパルスをランダムに変調し、前記変調された前記第１の弱いパルスおよび変調されていない前記第２の弱いパルスを、量子チャネルを介して前記第２ＱＫＤステーションへ送信し、
ｂ）第２ＱＫＤステーションにおいて、前記第２の弱いパルスを変調し、かつすでに変調された前記第１および前記第２の弱いパルスを結合する、
ことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記量子チャネルおよび前記タイミングチャネルの少なくとも１つに取り込まれる、時間遅延を補償するために、各々のＱＫＤステーションにおける送信および受信ドメインを電子的に調整することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
第１および第２のＱＫＤステーションを備えたＱＫＤシステムであって、各々のＱＫＤステーションは、
ａ）量子チャネルに連結され、変調ドライバおよび変調器を有し、前記量子チャネルを介して量子信号を送信および／または受信するよう調整された、量子トランシーバと、
ｂ）前記量子トランシーバに連結され、前記変調器を通過する量子信号をランダムに暗号化するために、前記量子トランシーバに乱数を与えるよう調整された、乱数発生（ＲＮＧ）部と、
ｃ）前記ＲＮＧ部、前記量子トランシーバ、および公開チャネルに連結された、公開データトランシーバ（ＰＤＴ）と、
ｄ）タイミングチャネルを介して光同期信号を送信および受信するよう調整され、前記タイミングチャネルに連結されたサーキュレータに共に連結された光レシーバと光トランスミッタを有する、光モデムと、
ｅ）光レイヤ、前記ＲＮＧ部、および前記光モデムに連結されたコントローラであって、
片方のＱＫＤステーションにおける前記コントローラは、前記量子チャネルを介した量子信号の前記送信および／または前記受信を妨害することなく、前記タイミングチャネルを介して各々の前記光モデムを通過することで前記コントローラの間を通信される同期信号に基づいて、前記片方のステーションにおける前記量子トランシーバおよびＲＮＧ部の動作を、他方のＱＫＤステーションにおける前記量子トランシーバおよび前記ＲＮＧ部の動作に同期するよう調整される、前記コントローラと、
を備えた、ＱＫＤシステム。
【請求項１２】
量子トランシーバを各々有する第１および第２のＱＫＤステーションを備えたＱＫＤシステムのタイミングシステムであって、
ａ）トランスミッタ、レシーバ、およびタイミングチャネルに連結されたサーキュレータを各々有する、各々のＱＫＤステーションにおける光モデムを備え、
ｂ）前記光モデムの１つは、前記光モデムに配置された前記光レシーバおよび前記光トランスミッタに連結された、第１および第２位相ロックループ（ＰＬＬ）を有し、
ｃ）前記光モデムの他方は、前記光レシーバに連結された第３のＰＬＬと、前記光トランスミッタに連結されたクロックとを有し、
ｄ）各々のＱＫＤステーションにおけるコントローラを備え、前記コントローラは、対応する前記ＱＫＤステーションにおける前記光モデムに連結され、かつ前記量子トランシーバの動作を同期するために、前記タイミングチャネルを通過し前記光モデムを介して同期信号を受信および送信するよう調整され、前記同期信号は、フレーム同期パルスとデータパルスとを含む、
ＱＫＤシステムのタイミングシステム。
【請求項１３】
ＱＫＤシステムであって、
ａ）第１および第２ＱＫＤステーションであって、各々が、量子トランシーバと、乱数発生（ＲＮＧ）部と、公開データ送信部と、光モデムと、コントローラとを有し、これらは全て動作可能なように各々の内部で相互接続されている、第１および第２ＱＫＤステーションと、
ｂ）前記量子トランシーバを接続する量子チャネルと、
ｃ）前記公開データ送信部を接続する公開チャネルと、
ｄ）前記光モデムを接続するタイミングチャネルと、を備え、
ｅ）前記光モデムは、各々のＱＫＤステーションにおいて受信タイムドメインから送信タイムドメインまでをロックするよう振る舞う、フレーム同期パルスとデータパルスとを含む同期信号を送信および受信する、
ＱＫＤシステム。
【請求項１４】
前記タイミングチャネルと前記公開チャネルは、２つのＱＫＤステーション間の単一の物理通信を共有している、請求項１３に記載のＱＫＤシステム。
【請求項１５】
前記ＱＫＤシステムは、双方向型システムとして動作する、請求項１３に記載のＱＫＤシステム。
【請求項１６】
前記ＱＫＤシステムは、一方向型システムとして動作する、請求項１３に記載のＱＫＤシステム。
【請求項１７】
前記光モデムの１つは、２つの位相ロックループを含み、他の光モデムは、位相ロックループと同期信号を生成するクロックを含む、請求項１３に記載のＱＫＤシステム。
【請求項１８】
前記ＱＫＤステーションの同期制御は、前記いずれかのＱＫＤステーションの前記コントローラによって行われる、請求項１３に記載のＱＫＤシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子暗号に関し、特に、ロバストなタイミングシステムを備えた量子鍵配送（ＱＫＤ）システムと、ＱＫＤを行う方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子鍵配送は、「量子チャネル」を介して送信された弱い光信号（例えば、平均で０．１フォトン）を用いて、送信者（「アリス」）と受信者（「ボブ」）との間で、鍵を設定することに関する。鍵配送の安全性は、不確定状態にある量子系はどれでも測定するとその状態を変えるという、量子力学の原則に基づいている。結果として、量子信号を妨害あるいは測定しようとする盗聴者（「イブ」）は、送信信号にエラーを引き起こしてしまうため、その存在が明らかになる。
【０００３】
量子暗号の一般的な原則は、ベネットとブラッザールの論文（非特許文献１参照）の中で、初めて発表された。具体的なＱＫＤシステムは、ベネットの特許文献１（以下、‘４１０特許と称す）に記載されている。
【０００４】
ベネット‐ブラッザールの論文と‘４１０特許は、それぞれいわゆる一方向型ＱＫＤシステムについて述べている。一方向型ＱＫＤシステムとは、アリスが単一光子の偏光をランダムに暗号化して、ボブがそれら光子の偏光をランダムに測定するものである。‘４１０特許に述べられている一方向型システムは、二光束マッハ・ツェンダー干渉計に基づいている。アリスとボブは、干渉計の位相を制御できるように、干渉計の各部にアクセスすることが可能である。アリスからボブに送信された信号（パルス）は、時分割され、異なった経路をたどる。‘４１０特許は、送信者から受信者にタイミング信号を伝達するための、別個の「タイミングチャネル」について開示している。しかしながら、システムの実際の動作に必要なタイミングシステムと方法については、開示されていない。
【０００５】
ここに本明細書の一部を構成するものとしてその内容を援用するギシンの特許文献２（以下、‘２３４特許と称す）では、偏光や熱ゆらぎを自動補正する、いわゆる「双方向」型ＱＫＤシステムについて開示している。
【０００６】
‘２３４特許の双方向型ＱＫＤシステムは、一方向型システムにおいて、ある程度の利点がある。一方で、光パルスの送信および受信を同期するタイミングシステムなしでは動作できない点で、‘４１０特許のシステムと似ている。しかし、‘４１０特許と同様に、このようなタイミングシステムは、‘２３４特許には開示されていない。
【０００７】
タウンゼントの特許文献３（以下、‘６４８特許と称す）では、量子チャネルと公開チャネルのための「共有送信媒体」を用いるＱＫＤシステムについて開示している。‘６４８特許は、弱い光パルスを送信および検出する際、タイミングエラーを防止するためのシステムクロックを用いたタイミングシステムの記載を含んでいる。タイミング機能は、干渉計の調整中に実行される。‘６４８特許の図４を参照すると、公開チャネル検出器からの増幅された出力は、クロックレジストレーションモジュールに入力する。このモジュールは、ローカルオシレータから光源もしくはマスタクロック周波数までをロックするために用いられる、パルス繰り返し周波数での振動信号を生成する電気フィルタで構成されている。このローカルオシレータは、プロトコルの量子送信段階中に、レシーバが要求するタイミング情報を提供するために用いられる。送信システムは、毎回、公開チャネルを介して再調整され、ローカルオシレータは、いかなるタイミングエラーも蓄積しないようにリタイムされる。
【０００８】
従って、‘６４８特許のタイミングシステムは、連続モードというよりもむしろスイッチモードで作動しており、タイミングの同期を維持し、タイミング信号中のジッタを制御する方法としては非効率的である。また、このシステムは、ステーションのうち１つだけを用いてタイミングを制御するよう設計されている。さらに、この設計システムは、現場で必要とされる様々な動作モードで動作させるためのプログラム制御ができない。‘６４８特許に係る以上の点、およびシステムの他の欠点は、商業的に使用されるＱＫＤシステムにおいては不都合である。
【０００９】
そのため、商業的に使用されるＱＫＤシステムの生産と発展を可能にする、ロバストなタイミングシステムと方法が必要とされている。
【特許文献１】米国特許第５，３０７，４１０号公報
【特許文献２】米国特許第６，４３８，２３４号公報
【特許文献３】米国特許第５，６７５，６４８号公報
【非特許文献１】Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｕｂｌｉｃ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｉｎ  ｔｏｓｓｉｎｇ，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ、Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ，１９８４，ｐｐ．１７５−１７９（ＩＥＥＥ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、１９８４）
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は量子暗号に関し、特に、ロバストなタイミングシステムを備えたＱＫＤシステムと、ＱＫＤを行う方法に関する。ＱＫＤシステムは、研究室や他の人工的な環境内においてだけではなく、現場で動作かつ調整が可能な範囲内にあれば、工業的実用性を有するといえる。このため、商業的に使用されるＱＫＤシステムは、ＱＫＤシステムの様々な要素の同期動作を可能にする、ロバストなタイミングシステムを組み合わせて動作するように設計されることが重要である。特に、ＱＫＤシステムは、様々な現実の環境において安全な鍵を交換するために、弱い量子信号が生成、かつ検出可能な状況で動作する必要がある。
【００１１】
まず、本発明に係るＱＫＤシステムの様々な形態の概略を説明する。次に、例として示すＱＫＤシステムの様々な動作モードに対応する、例として示すタイミングシステムの構造と動作のより詳細な説明を行う。
【００１２】
以下、「ランダムに変調」とは、選択された、かつ有限の変調可能なグループ、例えば２つまたは４つの選択位相変調から、ランダムに変調を選択することを意味する。また、「暗号化」とは、ランダム位相または偏光を量子信号に与えることを意味する。
【００１３】
また、「量子トランシーバ」は、量子チャネルを介して量子信号を送信、受信、あるいは送受信するための光レイヤを表すために用いられる。さらに、「量子信号」とは、量子チャネルを介して量子トランシーバ間を伝わる信号である。当業者は、量子信号が場合によっては比較的強く、一方ある時には弱い、すなわち平均でパルス当たりの光子よりも少ないということを理解すると思われる。
【００１４】
［Ｉ．ＱＫＤシステムの概略］
Ａ．多重通信リンクの実施形態
図１Ａは、本発明に係る量子鍵配送（ＱＫＤ）システム１０の上位概略図である。システム１０は、２つのＱＫＤステーションを備える。以下、これらを「アリス」および「ボブ」と呼ぶ。アリスは、量子チャネル２４を介してボブに送信、あるいはボブから受信する量子信号Ｓ１を準備、送信および／または受信するための量子チャネル光レイヤ（「量子トランシーバ」）２０Ａを有する。量子チャネル２４は、ボブに連結されている。アリスはまた、量子トランシーバ２０Ａに連結された乱数発生（ＲＮＧ）部３０Ａを有する。ＲＮＧ部３０Ａは、選択された一連の偏光または位相に基づいて、量子信号Ｓ１の偏光または位相のどちらかをランダムに設定できるように、量子トランシーバ２０Ａに乱数を提供する。
【００１５】
アリスはまた、古典（データ）チャネル４４に連結された公開データトランシーバ（ＰＤＴ）４０Ａを有している。古典（データ）チャネル４４は、ボブに連結されている。ＰＤＴ４０Ａは、アリスとボブ間において、公開でデータ（例えば、暗号化されたメッセージ）を送受信するために使用される古典信号Ｓ２を取得し、処理するよう調整される。ＰＤＴ４０Ａは、ＲＮＧ部３０Ａと量子トランシーバ２０Ａに連結されている。
【００１６】
アリスはまた、タイミングチャネル５４に連結された光モデム部５０Ａを有する。タイミングチャネル５４も、ボブに連結されている。光モデム部５０Ａは、タイミングチャネル５４を介して送信される光信号Ｓ３を送信および受信するよう調整される。光信号Ｓ３は、以下に述べるタイミング動作を実行するために必要であり、またＱＫＤシステム１０を適切に機能させるために必要なものである。
【００１７】
アリスはさらに、量子トランシーバ２０Ａと、ＲＮＧ部３０Ａと、ＰＤＴ４０Ａと、光モデム部５０Ａとに連結されているコントローラ６０Ａを有する。コントローラ６０Ａは、後述するように、上述の構成要素の動作のタイミングを合わせるよう調整される。
【００１８】
ボブの基本的な構成は、アリスと同様である。すなわち、ボブは、量子トランシーバ２０Ｂと、ＲＮＧ部３０Ｂと、ＰＤＴ４０Ｂと、光モデム部５０Ｂと、コントローラ６０Ｂとを有し、それらの配置は原則としてアリスと同様である。量子トランシーバ２０Ｂ、ＰＤＴ４０Ｂ、および光モデム部５０Ｂは、それぞれ量子チャネル２４、古典チャネル４４、およびタイミングチャネル５４を介して、アリスにおいて対をなす量子トランシーバ２０Ａ、ＰＤＴ４０Ａ、および光モデム部５０Ａに連結されている。コントローラ６０Ａと６０Ｂ、光モデム部５０Ａと５０Ｂ、およびタイミングチャネル５４は、以下まとめて、システム１０の「タイミングシステム」７０と称す。このボブとアリスの対称性により、各々のＱＫＤステーションで同じ配置を取ることができ、ＱＫＤシステムを容易に実現できるという点で大きな工業的実用性を有する。特に、原則として、ボブとアリスとで同じ回路基板を使用することが可能となる。この回路基板は、多くの様々なモード（例えば、ボブまたはアリスのどちらかで制御されるタイミングや、下記に説明するＯＴＤ動作など）で動作するよう、プログラム可能なものである。
【００１９】
図１Ａにさらに示すように、システム１０の動作において、光タイミング信号Ｓ３およびＳ３’は、タイミングチャネル５４を介してコントローラ６０Ａと６０Ｂ間で交換される。光タイミング信号Ｓ３およびＳ３’は、光モデム部５０Ａおよび５０Ｂを介して処理される。これらのモデム部は、光タイミング信号を、対応する電気タイミング信号Ｓ４ＡとＳ４Ｂに変換、およびその逆の処理を行う。
【００２０】
Ｂ．二重および単一通信リンクの実施形態
図１Ａに示すＱＫＤシステム１０の実施例では、３つのチャネル２４、４４、および５４のすべては、異なった物理通信リンクを用いるとして図示している。例えば、量子チャネル２４は第１光ファイバ、タイミングチャネル５４は第２光ファイバ、古典データチャネル４４はイーサネット（登録商標）チャネルもしくは光ファイバチャネルもしくは単一波長光ファイバチャネル、といった具合である。この場合、量子チャネル２４とタイミングチャネル５４は、同期チャネルである。一方で、古典データ通信チャネルは、非同期チャネルであっても同期チャネルであってもよい。
【００２１】
図１ＢのＱＫＤシステム１０の実施例では、様々な通信チャネル２４、４４、および５４は、光学的および／または電子的に単一チャネル７６に多重化されている。例えば、図１Ｂに示すように、光チャネルは、各々アリスとボブの出力端に位置する波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）７８Ａおよび７８Ｂを用いて、単一光ファイバＦ１に結合されてもよい。
【００２２】
一例として、まず古典的データチャネル４４およびタイミングチャネル５４は、１つの電気的チャネルに多重化される。その後、１つの光チャネルを介して送信される。この光チャネルは、分離型単一波長光ファイバであってもよい。また、量子チャネル２４は、分離専用型光ファイバを介して送信される。本実施例は、量子チャネルが、十分にノイズフリーであることが必要とされる場合に非常に適している。すなわち、例えば、レーマンおよびレイリー散乱により生じ得る、あるいはファイバの欠陥および／または継ぎ目からの反射により生じ得る、後方散乱もしくは後方反射が十分にないといえることが必要とされる場合である。
【００２３】
Ｃ．一方向型量子トランシーバの例
図２Ａは、アリスの他の要素を加えた、アリスの量子トランシーバ２０Ａの実施例に係る概略図であり、下記の図２Ｂに図示する、ボブとボブのトランシーバ２０Ｂの実施例と組み合わせて使用される。
【００２４】
アリスの量子トランシーバ２０Ａは、初期光子パルス信号Ｓ０を生成するための、例えば１．５μｍレーザのようなレーザ源１００Ａを有する。実施例では、信号Ｓ０は、各々が何百何千もの光子を含み、かつ一時的なパルス幅が約４００ピコ秒（ｐｓ）である、１つ以上の光パルスを含む。また、量子トランシーバ２０Ａは、レーザ源から順に、可変光アッテネータ（ＶＯＡ）１０２Ａと、光遅延部１１０Ａと、位相変調器１１２Ａとを有している。ＶＯＡ１０２は、位相変調器１１２Ａの下流、あるいはシステムの他の位置に配置することもできる。ＶＯＡ１０２は、弱い量子信号Ｓ１を形成するために、光パルス信号Ｓ０の強度を制御するために用いられる。すなわち、信号は平均で１つの光子より小さい必要があり、約０．１フォトン以下であることが好ましい。この弱い量子信号Ｓ１は、量子チャネル２４（図１Ａ）を介してボブに送信される。
【００２５】
図２Ａに示すように、アリスのＲＮＧ部３０Ａは、コントローラ６０Ａにも連結されている。コントローラ６０Ａは、位相変調器ドライバ１１２Ａ−Ｄに連結されており、ドライバ１１２Ａ−Ｄは、次に位相変調器１１２Ａに連結されている。コントローラ６０Ａは、信号Ｓ０から量子信号Ｓ１を生成する際の減衰量を制御するために、ＶＯＡ１０２Ａにも連結されている。また、コントローラ６０は、フィールドプログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）１３２Ａを含む。
【００２６】
また、図２Ａに図示しているのは、任意のＷＤＭ７８Ａに接続されている光モデム部５０Ａである。光モデム部５０Ａについて、図２Ｃにより詳細を示し、図３Ａから３Ｄに関してより詳細に下記に説明している。光モデム部５０Ａは、アリスとボブ間のデータ通信およびクロック同期に用いる、タイミングシステムの統合部である。
【００２７】
また、図２Ａに図示しているのは、ＰＤＴ４０ＡからＷＤＭ７８Ａへの接続である。ＰＤＴ４０Ａは、ユーザおよび公開ディスカッションレイヤに関するデータを暗号化し、ＷＤＭ７８Ａを介して光学的にファイバＦ１に送信する。ＰＤＴ４０Ａは、ＷＤＭ７８Ａにより分離されたデータを受信し、データの解読も行う。
【００２８】
Ｄ．一方向型量子トランシーバの例
図２Ｂは、図２Ａに示すアリスの量子トランシーバ２０Ａと共に用いられる、一方向型ＱＫＤシステムにおける、ボブおよびボブの量子トランシーバ２０Ｂの実施例に係る概略図である。このようなシステムでは、アリスのトランシーバ２０Ａはトランスミッタとして作動し、ボブの量子トランシーバ２０Ｂはレシーバとして作動する。ボブの量子トランシーバ２０Ｂは、光遅延部１１０Ｂと、位相変調器１１２Ｂとを有する。また、量子トランシーバは、偏光補償器１１８Ｂに連結された第１単一光子検出器１１４Ｂと、ＰＭビームスプリッタ１０６Ｂと、ＰＭサーキュレータ１０４Ｂに連結された第２単一光子検出器１１６Ｂとを有する。単一光子検出器１１４Ｂおよび１１６Ｂは各々、弁別器１２０Ｂおよび１２２Ｂに連結されている。これらの弁別器は、コントローラ６０Ｂに連結されている。ＲＮＧ部３０Ｂも、コントローラ６０Ｂに連結されている。コントローラ６０Ｂは、位相変調器ドライバ１１２Ｂ−Ｄに連結されており、ドライバ１１２Ｂ−Ｄは、次に位相変調器１１２Ｂに連結されている。コントローラ６０Ｂは、送信媒体における環境変化により引き起こされる偏光エラーを修正するために、偏光補償器１１８Ｂにも連結されている。また、コントローラ６０は、フィールドプログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）１３２Ｂを含む。
【００２９】
また、図２Ｂに図示しているのは、アリスに関して図２Ａに図示したものと同様なＷＤＭ７８Ｂに各々接続されている、光モデム部５０ＢおよびＰＤＴ４０Ｂである。
【００３０】
Ｅ．双方向型量子トランシーバの例
図２Ｃは、双方向型ＱＫＤシステムにおいて使用される、ボブとボブの量子トランシーバ２０Ｂの実施例に係る概略図である。双方向型ＱＫＤシステムでは、光をレシーバから量子トランシーバ（この場合は、アリス）へ送信するために、古典（すなわち、量子でない）光パルストランスミッタが要求される。
【００３１】
量子トランシーバ２０Ｂは、各々が何百何千もの光子を含み、かつ一時的なパルス幅が４００ｐｓである、１つ以上の光パルスからなる初期光子パルス信号Ｓ０を生成するための、例えば、１．５μｍレーザのようなレーザ源１００Ｂを有する。また、量子トランシーバ２０Ｂは、レーザ源から順に、量子信号Ｓ１を生成するために光パルス信号Ｓ０の強度を制御する、可変光アッテネータ（ＶＯＡ）１０２Ｂを有する。量子信号Ｓ１は、最終的に量子チャネル２４（図１Ａ）に導かれる。また、量子トランシーバ２０Ｂは、偏光維持（ＰＭ）サーキュレータ１０４Ｂと、ＰＭビームスプリッタ１０６Ｂと、４５゜偏光器１０８Ｂと、光遅延部１１０Ｂと、位相変調器１１２Ｂとを有する。また、量子トランシーバ２０Ｂは、ＰＭビームスプリッタ１０６Ｂに連結された第１単一光子検出器１１４Ｂと、ＰＭサーキュレータ１０４Ｂに連結された第２単一光子検出器１１６Ｂとを有する。単一光子検出器１１４Ｂおよび１１６Ｂは、それぞれ弁別器１２０Ｂおよび１２２Ｂに連結されており、これらの弁別器は、コントローラ６０Ｂに連結されている。
【００３２】
ＲＮＧ部３０Ｂは、コントローラ６０Ｂにも連結されている。コントローラ６０Ｂは、位相変調器ドライバ１１２Ｂ−Ｄに連結されており、ドライバ１１２Ｂ−Ｄは、次に位相変調器１１２Ｂに連結されている。コントローラ６０Ｂは、光子信号Ｓ０を減衰して量子信号Ｓ１を生成する際、ＶＯＡ１０２が供給する減衰量を制御するために、ＶＯＡ１０２Ｂにも連結されている。また、コントローラ６０は、フィールドプログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）１３２Ｂを含む。
【００３３】
また、図２Ｃに図示しているのは、任意のＷＤＭ７８Ｂに連結された光モデム部５０Ｂである。光モデム部５０Ｂは、共にサーキュレータ２０４Ｂに連結された、タイミング／同期レーザ（すなわち、光トランスミッタ）２００Ｂ（例えば、１．３μｍで動作するもの）と、タイミング／同期検出器（すなわち、光レシーバ）２０２Ｂとを有する。レーザ２００Ｂと検出器２０２Ｂは、コントローラ６０ＢにおいてＦＰＧＡ１３２Ｂに連結されている。これについては、図３Ａを用いて、下記により詳細な説明を行う。
【００３４】
Ｆ．双方向型量子トランシーバの例
図２Ｄは、アリスの量子トランシーバ２０Ａの実施例に係る概略図である。量子トランシーバ２０Ａは、図２Ｃに図示し、かつすぐ上で説明したボブのトランスミッタの実施例と組み合わせて用いられる。アリスの量子トランシーバ２０Ａは、ＷＤＭ７８Ａと、位相変調器ドライバ１１２Ａ−Ｄに連結された位相変調器１１２Ａと、位相変調器の光学的な下流に配置されたファラデーミラー１６０とを有する。ＲＮＧ部３０Ａは、コントローラ６０Ａに連結され、コントローラ６０Ａは、位相変調器ドライバ１１２Ａ−Ｄに連結されている。図２Ｄに示す概略は、光モデム部５０Ａであり、上述の光モデム部５０Ｂと同様な実施例である。光モデム部５０Ａは、ＷＤＭ７８Ａおよびコントローラ６０Ａに連結されている。コントローラ６０は、ＦＰＧＡ１３２Ａも含んでいる。
【００３５】
Ｇ．双方向型量子トランシーバを用いたＯＴＤＲ機能の例
本発明の実施例では、光タイムドメイン反射率測定（ＯＴＤＲ）を実行するためのシステムを含む。図２Ｅは、図２Ｃにおけるボブの量子トランシーバ２０Ｂと同様な概略図であるが、ＯＴＤＲ機能を実行するために必要のない要素は省略している。
【００３６】
初期光パルス信号Ｓ０は、レーザ１００Ｂで生成され、ＶＯＡ１０２Ｂ、偏光維持（ＰＭ）サーキュレータ１０４Ｂ、ＰＭビームスプリッタ１０６Ｂ、位相変調器１１２Ｂ、およびＷＤＭ７８Ｂを通過して、量子信号Ｓ１としてファイバＦ１に入力する。ここで、量子信号Ｓ１は、ＯＴＤＲを実行するために必要な比較的強い信号である。
【００３７】
量子信号Ｓ１の一部は、ファイバＦ１の反射点ＲＰ１から反射され戻ってくる。反射点ＲＰ１は、光ファイバＦ１に加えられた要素の存在により生じ得る。これらは、例えば、ボブとアリス間に盗聴者イブが設置する光タップ、あるいはファイバ中の散乱もしくは反射などの他の原因などである。反射点Ｐ１から反射される光は、ＷＤＭ７８Ｂを通ってボブに送り返される。この光は、その後、位相変調器１１２ＢおよびＰＭビームスプリッタ１０６Ｂを通過する。ここで、光は、２つの直交偏光に分割される。続いて光は、弁別器１２０Ｂおよび１２２Ｂに各々連結されている、２つの単一光子検出器１１４Ｂおよび１１６Ｂのうちの１つを通過する。
【００３８】
単一光子検出器１１４Ｂと１１６Ｂ、および弁別器１２０Ｂと１２２Ｂは、コントローラ６０Ｂに連結されている。単一光子検出器１１４Ｂおよび１１６Ｂは、線形モードで動作するよう変更することもできる。弁別器１２０Ｂおよび１２２Ｂは、光の高次レベルを高分解能で測定するために、比例デジタルデータモードで動作するよう変更することもできる。
【００３９】
コントローラ６０Ｂは、ＯＴＤＲの出力光の強度を制御するためのＶＯＡ１０２Ｂと、光モデム５０Ｂとに連結されている。ＯＴＤＲモードにおける光モデム５０Ｂの動作は、図３Ｃと共に以下に述べる。
【００４０】
Ｈ．一方向型ＱＫＤシステムの例の一般的な動作
図２Ａに示すように、レーザ源１００Ａは、初期光パルス信号Ｓ０を放射する。その後、光パルスＳ０は、ＶＯＡ１０２Ａを通過する。ここでＶＯＡ１０２Ａは、パルスを所望のレベルに減衰する。例えば、量子チャネルに導かれる最終の量子信号Ｓ１の強度を、何百何千もの光子から、平均で単一光子の強度を下回るようなレベルにまで減衰する。その後、減衰された光パルス信号Ｓ０は、信号Ｓ０を２つの直角に偏光した光パルスＳ１ＡおよびＳ１Ｂに分割する、光遅延部１１０Ａを通過する。
【００４１】
さらにその後、パルスＳ１ＡおよびＳ１Ｂは、位相変調器１０２Ａを通過する。この時点で、コントローラ６０Ａは、位相変調器ドライバ１０２Ａ−ＤにゲートパルスＧＰＡ−１を送信する。ゲートパルスＧＰＡ−１は、位相変調器ドライバ１０２Ａ−Ｄにより調整される。調整は、位相変調器１０２Ａが、Ｓ１ＡおよびＳ１Ｂのうちの１つ（例えば、Ｓ１Ｂ）の位相をランダムに変調するように行われる。適用される位相変調は、一連の位相変調からＲＮＧ部３０Ａが提供する乱数に基づいてランダムに選択される。光パルスは次に、ＷＤＭ７８Ａを通過し、光信号Ｓ１としてボブに伝播する。
【００４２】
図２Ｂの実施例では、パルスは、光ファイバＦ１を介してボブに伝播する。Ｆ１は、量子チャネル２４と、公開チャネル４４と、タイミングチャネル５４とを有している。図１Ａの実施例では、これらのチャネルは、別個のものとして示されている。
【００４３】
実施例では、公開（データ）チャネル４４上のデータは、公開データトランシーバＰＤＴ４０Ｂにより送受信される。データは、アリスのＷＤＭ７８Ａに結合するための適切な波長を有する、市販で手に入る光送信部を介して送信されてもよい。また、光モデム５０Ａは、アリスの量子トランシーバ２０Ａからボブの量子トランシーバ２０Ｂへ、パルスＳ１ＡおよびＳ１Ｂの送信に関するタイミング情報を送信する。これについては、下記でより詳しく説明する。
【００４４】
図２Ｂにさらに示すように、量子信号Ｓ１の光パルスＳ１ＡおよびＳ１Ｂは、ＷＤＭ７８Ｂを経てボブに到着し、偏光補償器１１８Ｂおよび位相変調器１１２Ｂを通過する。コントローラ６０Ｂは、パルスＳ１ＡおよびＳ１Ｂの生成と送信に関するアリスから受信した情報に基づいて、ゲートパルスＧＰＢ−１を位相変調器ドライバ１１２Ｂ−Ｄに送信する。ドライバ１１２Ｂ−Ｄは、位相変調器１１２Ｂに残りの変調されていないパルス（この場合、パルスＳ１Ａ）を変調させるよう調整される。位相変調は、選択された位相変調数からＲＮＧ部３０Ａが提供する乱数に基づいて、ランダムに選択される。
【００４５】
位相変調されたパルスＳ１ＡおよびＳ１Ｂは、光遅延部１１０Ｂに入力する。これらのパルスは、そこで結合し、互いに干渉する。その後、再結合したパルスは、単一光子検出器１１４Ｂまたは１１６Ｂで検出されるが、これはパルスに与えられた相対位相に依存する。それに応じて、単一光子検出器１１４Ｂまたは１１６Ｂは、弁別器１２０Ｂまたは１２２Ｂを各々通過してコントローラ６０Ｂに戻る電気信号を生成する。ゲートパルスのタイミング調整と同期について、またＱＫＤシステムにおける様々な構成要素の動作を調整するために用いられる他の信号については、以下で述べる。
【００４６】
一旦、所望の量子パルス数Ｓ１がボブとアリス間で交換されると、既知の技術を用いて共有鍵を得ることができる。例えば、アリスとボブにより、それらの測定基準を公開で比較し（例えば、公開チャネル４４を介して）、同じ測定基準に対応する測定（ビット）のみを保持する。これにより、ふるいにかけられた鍵が形成される。その後、アリスとボブは、盗聴者（イブ）の存在を検査するため、残りのビットの集合を選択して廃棄する。
【００４７】
ボブとアリス間に送信される弱い光パルスを妨害あるいは測定しようする、イブの光ファイバＦ１上における盗聴行為は、交換される光子の量子性により必然的に鍵にエラーを導入してしまう。ふるいにかけた鍵に、盗聴者イブの存在によるエラーがない場合には、送信は安全だと考えられ、量子鍵が設定される。
【００４８】
Ｉ．双方向型ＱＫＤシステムの例の一般的な動作
本発明は、双方向型自動補正システムにも同様に適用できる。従って、再度図２Ｃとそこに示されているボブの量子トランシーバに示すように、レーザ源１００Ｂは、初期光パルスＳ０を放射する。光パルスＳ０は、ＶＯＡ１０２Ｂを通過する。ＶＯＡ１０２Ｂは、各々が何百何千もの光子を含むように、初期光パルスの強度を制限する。減衰された光信号Ｓ０は、ＰＭサーキュレータ１０４ＢおよびＰＭビームスプリッタ１０６Ｂを通過し、偏光器１０８Ｂにより４５゜偏光される。光パルスＳ０は、その後、光遅延部１０８に進む。光遅延部１０８は、２つの直交した偏光パルスＳ１ＡおよびＳ１Ｂを、光パルスＳ０から形成する（量子信号Ｓ１の形成）。本実施形態では、ボブから出発する量子信号Ｓ１自体は、量子信号ではない。すなわち、平均で単一光子よりも少ない光子を含む光パルスではない。むしろこれは、比較的強いパルス、例えば、パルス当たり何百何千の光子を含むパルスである。しかしながら、上述のように、このパルスは量子チャネルを介して送信されるものであるため、ここでも「量子信号」として参照する。
【００４９】
パルスＳ１ＡおよびＳ１Ｂは、その後ＷＤＭ７８Ｂを通過し、光ファイバＦ１を介してアリスへ伝播する。図２Ｃおよび２Ｄの実施例では、光ファイバＦ１は、量子チャネル２４と、公開チャネル４４と、タイミングチャネル５４とを有している。公開チャネル４４上のデータは、ＷＤＭに結合させるための適切な波長を有する、市販で手に入る任意の光送信部を介して送信されてもよい。光モデム５０Ａは、後の章でより詳細に説明するように、アリス２０Ａからボブ２０Ｂにタイミング情報を送信する。
【００５０】
再度、図２Ｄとそこに示されているアリスの量子トランシーバ２０Ａが示すように、光パルスＳ１ＡおよびＳ１Ｂは、ＷＤＭ７８Ａを経てアリスに到着する。さらに、位相変調器１１２Ａを通過してファラデーミラー１６０に到着する。ファラデーミラー１６０は、パルスＳ１ＡおよびＳ１Ｂを反射し、各々のパルスの偏光を９０゜回転する。その後、コントローラ６０Ａは、位相変調器ドライバ１１２Ａ−ＤにゲートパルスＧＰＡ−１を送信する。ゲートパルスＧＰＡ−１は、位相変調器ドライバ１１２Ａ−Ｄにより調整される。調整は、位相変調器１１２Ａが、パルスＳ１ＡおよびＳ１Ｂのうちの１つ（例えば、Ｓ１Ａ）の位相をランダムに変調するように行われる。適用される位相変調は、位相変調の一組からＲＮＧ部３０Ａが提供する乱数に基づいてランダムに選択される。パルスＳ１ＡおよびＳ１Ｂは、ＶＯＡ１０２Ａによって、平均で単一光子レベルかそれを下回るレベルまで減衰される。
【００５１】
再度図２Ｃに示すように、減衰された（すなわち、弱い）量子パルスＳ１ＡおよびＳ１Ｂは、光ファイバＦ１を介してボブに戻る。ここで、コントローラ６０Ｂは、上述のように、ゲートパルスＧＰ１−Ｂが、残りの変調されていないパルス（パルスＳ１Ｂ）を位相変調させるように調整された形でタイミング信号を生成する。
【００５２】
次に、量子パルスは、光遅延部１１０Ｂに入力する。これらのパルスは、そこで結合し、互いに干渉する。その後、再結合されたパルスは、単一光子検出器１１４Ｂまたは１１６Ｂで検出されるが、これはパルスに与えられた相対位相に依存する。再結合したパルスを検出する単一光子検出器は、弁別器１２０Ｂまたは１２２Ｂを各々通過してコントローラ６０Ｂに戻る電気信号を生成する。ゲートパルスのタイミング調整と同期について、またＱＫＤシステムにおける様々な構成要素の動作を調整するために用いられる他の信号については、以下で述べる。
【００５３】
一旦、ボブとアリス間で所望のパルス数が交換されると、既知の技術を用いて共有鍵を得ることができる。例えば、アリスとボブにより、それらの測定基準を公開で比較し（例えば、公開チャネル４４を介して）同じ測定基準に対応する測定（ビット）のみを保持する。これにより、ふるいにかけられた鍵が形成される。その後、アリスとボブは、盗聴者（イブ）の存在を検査するため、残りのビットの集合を選択して廃棄する。ボブとアリス間に送信される弱い光パルスを妨害、あるいは測定しようする、イブの光ファイバＦ１上における盗聴行為は、交換される光子の量子性により、必然的に鍵にエラーを導入してしまう。ふるいにかけた鍵に、盗聴者イブの存在によるエラーがない場合には、送信は安全だと考えられ、量子鍵が設定される。
【００５４】
Ｊ．双方向型ＱＫＤシステムを用いたＯＴＤＲモードの一般的な動作例
図２Ｅに示すように、初期光パルス信号Ｓ０は、レーザ１００Ｂにより生成される。信号Ｓ０の幅は、約４００ｐｓから約１０ｎｓの範囲で変化し、ＶＯＡ１０２Ｂの減衰は、強い光パルスを生成するために０付近に制限することができる。
【００５５】
パルスＳ０は、偏光維持（ＰＭ）サーキュレータ１０４Ｂ、ＰＭビームスプリッタ１０６Ｂ、位相変調器１１２Ｂ（変調なし）、およびＷＤＭ７８Ｂを通過し、ファイバＦ１に入る。光パルスＳ０は、ファイバＦ１を下り、元のパルスＳ０の一部であるＳ１Ｂは、散乱および一般的に１つ以上の反射点ＲＰ１で示される反射を受けて戻っていく。ファイバからは様々なパルスＳ１Ｂが戻ってくる。このパルスＳ１Ｂは、散乱量と反射量、かつリターン信号が伝播してきた周回距離によって、振幅および時間遅延が異なる。
【００５６】
光パルスＳ１Ｂは、ＷＤＭ７８Ｂ、位相変調器１１２Ｂ、およびＰＭビームスプリッタ１０６Ｂを通過して戻ってくる。量子トランシーバ２０Ｂは、ＰＭビームスプリッタ１０６Ｂに連結された第１単一光子検出器１１４Ｂと、ＰＭサーキュレータ１０４Ｂに連結された第２単一光子検出器１１６Ｂとを含む。単一光子検出器１１４Ｂおよび１１６Ｂは、それぞれ弁別器１２０Ｂおよび１２２Ｂに連結されており、これらの連結器は、コントローラ６０Ｂに連結されている。単一光子検出器１１４Ｂおよび１１６Ｂは、線形モードで動作するよう変更することもできる。弁別器１２０Ｂおよび１２２Ｂは、単一光子レベルを超えた光のレベルを測定するために、比例デジタルデータを与えるようなモードに変更することも可能である。
【００５７】
コントローラ６０Ｂは、信号Ｓ０における光量を制御するために、検出器１１４Ｂと１１６Ｂ、弁別器１２０Ｂと１２２Ｂ、およびＶＯＡ１０２Ｂに連結されている。信号Ｓ０は、ＯＴＤＲの動作範囲を変更する役割を果たす。コントローラは、例えば、反射点ＲＰ１の位置などのファイバの特性を決定するために、出力パルスＳ０とリターンパルスＳ１Ｂ間の光レベルおよび時間遅延を測定する。
【００５８】
光モデム５０Ｂは、レーザ１００Ｂから始まって弁別器１２０Ｂと１２２Ｂとを含む受信部まで、ＯＴＤＲの送信部を接続するために用いられる。
［ＩＩ．タイミングシステム］
ＱＫＤシステム１０の動作に関する上記様々な形態において、タイミングシステムは、初期量子信号パルスＳ０の送信、アリスの位相変調器１１２ＡによるパルスＳ１Ａの変調、ボブの位相変調器１１２ＢによるパルスＳ１Ｂの変調（これにより、量子信号Ｓ１が形成される）、および単一光子検出器１１４Ｂもしくは１１６Ｂにおける結合パルスの検出、を調整するような位置に配置されることを前提としている。
【００５９】
さらに、上記形態では、タイミングシステムは、タイミング信号における変動（例えば、ドリフトとジッタ）を明らかにすることができ、かつ量子信号の到着時間における変動を明らかにできることを前提としている。
【００６０】
タイミングシステム７０（図１Ａ）は、上記を達成するよう調整されている。図３Ａから３Ｃは、図１Ａのタイミングシステム７０の実施例に係る詳細な概略図であり、一方向型ＱＫＤシステム（図３Ａ）、双方向型ＱＫＤシステム（図３Ｂ）、およびＯＴＤＲ（図３Ｃ）の特別な場合である。
【００６１】
Ａ．一方向型量子トランシーバのタイミング動作例
図３Ａは、２つの光サーキュレータを用いる、図１Ａのタイミングシステム７０の実施例に係る概略図である。さらに、コントローラクロックドメインと、それらの位相ロックループ（ＰＬＬ）およびクロックへの接続を図示している。
【００６２】
図３Ａに示すように、システム７０は、アリスにおいて、光送信部２００Ａへのポートの１つと、光レシーバ２０２Ａへの他のポートとに連結されたサーキュレータ２０４Ｂを有する。光レシーバ２０２Ａは、受信ＰＬＬ２１６Ａ−２に連結され、受信ＰＬＬ２１６Ａ−２は、受信タイムドメインＲＴＤに連結されている。光送信部２００Ａは、固定クロックオシレータ（「送信ＯＳＣ」）２１６Ａ−１に連結されている。
【００６３】
同様に、システム７０は、ボブにおいて、すぐ上で述べたアリスと同様の配置を取るが、サーキュレータ２０４Ｂと、光送信部２００Ｂと、光レシーバ２０２Ｂと、送信ＰＬＬ２１６Ｂ−１と、受信ＰＬＬ２１６Ｂ−２とを有する。なお、ボブにおいて、光レシーバ２０２Ｂは、受信ＰＬＬ２１６Ｂ−２および送信ＰＬＬ２１６Ｂ−１の両方に連結されている。
【００６４】
送信ＯＳＣ２１６Ａ−１は、システム位相ロックループ（ＰＬＬ）２１６Ａ−２、２１６Ｂ−１および２１６Ｂ−２のキャプチャレンジで固定動作周波数を生成する。
【００６５】
送信ＯＳＣ２１６Ａ−１の出力信号は、光送信部２００Ａにより光同期信号Ｓ３に変換される。その後、同期信号Ｓ３は、サーキュレータ２０４Ａを通して連結され、ファイバＦ１によりサーキュレータ２０４Ｂに伝播される。さらにボブの光レシーバ２０２Ｂに向かい、そこで受信される。
【００６６】
アリスからボブへの制御信号は、光レシーバ２０２Ｂの検出された同期信号Ｓ３から抽出され、ボブの受信タイムドメイン（ＲＴＤ）に同期される。
【００６７】
受信ＰＬＬ２１６Ｂ−２および送信ＰＬＬ２１６Ｂ−１は、光レシーバ２０２Ｂから信号を再生し、アリスのＴＴＤに同期する、ボブのＲＴＤおよび送信タイムドメイン（ＴＴＤ）のロックされたコピーを事実上作成する。
【００６８】
ボブのＴＴＤは、光送信部２００Ｂにより生成される光同期信号Ｓ３’を介してアリスに送り返される。信号Ｓ３’は、サーキュレータ２０４Ｂ、ファイバＦ１、およびサーキュレータ２０４Ａを通過し、光レシーバ２０２Ａで受信される。
【００６９】
アリスの受信ＰＬＬ２１６Ａ−２は、アリスのＲＴＤがボブの送信タイミングドメイン（ＴＴＤ）にロックされるよう、光レシーバ２０２Ａで受信された光同期信号Ｓ３により生成された、対応する電子同期信号Ｓ４Ａを再生する。ボブからアリスへの制御信号は、光レシーバ２０２Ａの出力信号から抽出され、アリスでＲＴＤに同期する。ＲＴＤとＴＴＤの説明は後述する。
【００７０】
Ｂ．双方向型量子トランシーバのタイミング動作例
図３Ｂは、タイミングシステム７０の他の実施例を示す、図３Ａと同様な概略図である。図３Ｂでは、図３Ａにおけるアリスとボブの回路を実装するために使用可能な、単一トポロジを示している。
【００７１】
図３Ｂに示すように、ここで２１６Ｂ−１は送信ＯＳＣであり、他のシステムＰＬＬ、２１６Ａ−１、２１６Ａ−２および２１６Ｂ−２全てのキャプチャレンジで固定動作周波数を生成する。
【００７２】
ＯＳＣ２１６Ｂ−１の出力は、光送信部２００Ｂにより同期信号Ｓ３に変換される。同期信号Ｓ３は、次にサーキュレータ２０４Ｂを通して連結され、ファイバＦ１によってサーキュレータ２０４Ａまで伝播し、アリスの光レシーバ２０２Ａにより受信される。
【００７３】
受信ＰＬＬ２１６Ａ−２および送信ＰＬＬ２１６Ａ−１は、光レシーバ２０２Ａにより受信された光同期信号Ｓ３を（電子的な形で）再生し、ボブのＴＴＤに同期する、アリスのＲＴＤおよびＴＴＤのロックされたコピーを事実上作成する。
【００７４】
送信ＰＬＬ２１６Ａ−１の出力は、光送信部２００Ａにより、対応する同期信号Ｓ３に変換される。この信号は、サーキュレータ２０４Ａ、ファイバＦ１、およびサーキュレータ２０４Ｂを通過し、光レシーバ２０２Ｂにより受信される。光レシーバ２０２Ｂは、受信同期信号Ｓ３に対応した電気信号Ｓ４Ｂを生成する。
【００７５】
受信ＰＬＬ２１６Ｂ−２は、ボブの受信タイミングドメイン（ＲＴＤ）が、アリスの送信タイミングドメイン（ＴＴＤ）にロックされるよう、光レシーバ２０２Ｂの出力電気信号Ｓ４Ｂにロックされる。
【００７６】
制御信号は、アリスのＲＴＤにすでに同期されている光レシーバ２０２Ｂにより出力される、同期信号Ｓ３から抽出される。
【００７７】
ＲＴＤとＴＴＤの使用法の説明は後述する。
【００７８】
Ｃ．ＯＴＤＲのタイミング動作例
図３Ｃは、ＯＴＤＲモードで使用されるタイミングシステム７０の一部に係る下位概略図である。図３Ｃに示すように、固定クロックオシレータ（ＯＳＣ）２１６Ｂ−１は、他のシステムＰＬＬ２１６Ｂ−２のキャプチャレンジで固定動作周波数を生成する。
【００７９】
受信ＰＬＬ２１６Ｂ−２は、ＯＳＣ２１６Ｂ−１からの信号をロックする。これは例えば、ＲＴＤとＴＴＤのイベント間の遅延時間を測定できるようにするなど、コントローラが、ＲＴＤとＴＴＤと共に単一タイミングドメインであるかのように動作することを可能にするように行われる。パルス間の遅延時間の測定結果は、ボブからアリスを接続するリンク（例えば、ファイバＦ１）における、反射点ＲＰ１の位置を決定するために用いる。
【００８０】
Ｄ．一般化的なタイミング回路動作
図３Ｄは、図３Ａから３Ｃで示された、タイミングシステム７０のアリス部分の一般化した実施例に係る下位概略図であるが、それらにＰＬＬの詳細を加えている。図３Ｄに示すように、タイミングシステム７０は、図３Ａから３Ｃで要求されるモードにおいて、ボブまたはアリスのいずれかにタイミング機能を実装している。
【００８１】
図３Ｄのタイミングシステム７０は、一般化された光レシーバ２０２（すなわち、光レシーバ２００Ａあるいは２００Ｂのいずれか）と、レシーバに連結された位相コンパレータ６００と、位相コンパレータに連結されたローパスフィルタ（ＬＰＦ）６０２と、ＬＰＦ６０２に連結され、かつ電圧制御されたオシレータ（ＶＣＯ）６０４とを有し、これらをまとめて、受信タイミングドメイン（ＲＴＤ）のＰＬＬが構成される（例えば、Ｒｘ  ＰＬＬ２１６Ａ−２）。同様に、位相コンパレータ６０１と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）６０３と、電圧制御オシレータ（ＶＣＯ）６０５とがまとめて、送信タイミングドメイン（ＴＴＤ）のＰＬＬ（例えば、Ｔｘ  ＰＬＬ２１６Ａ−１）を形成している。
【００８２】
（ＲＴＤの動作）
ＲＴＤの動作において、位相コンパレータ６００は、レシーバ２０２からの２つのクロック信号間の位相差を測定し、さらに、入力位相差に比例する電圧を提供する。あるクロック信号は常にＲＴＤに入力し、ＲＴＤのＶＣＯ６０４からの出力がフィードバックされる。他のクロック信号は、位相コンパレータ６００を「Ａ」における光レシーバ２０２、あるいは「Ｂ」における位相コンパレータ６０１のいずれかに接続するスイッチＳＷ１によって選択される。これは、位相コンパレータ６００が、ＲＴＤクロックに対する光レシーバからの入力を測定する、あるいはＲＴＤクロックに対するＴＴＤクロックを測定するために行われる。
【００８３】
ＬＰＦ６０２は、位相コンパレータ６００の出力を整形する。これは、ＰＬＬをフィードバック制御システムから見て安定にするため、また高次周波数の内容をＶＣＯ６０４への入力から除去するために行われる。
【００８４】
ＶＣＯ６０４は、入力電圧制御により制御された周波数を持つ出力クロックを提供する、オシレータである。
【００８５】
ＶＣＯ６０４の出力を位相コンパレータ６００にフィードバックすることにより、ＶＣＯ６０４への入力が調整される。この調整は、ＬＰＦ６０２によって、位相コンパレータへの２つの入力の周波数および位相が等しくなるまで、ＶＣＯ６０４の出力周波数を増加または減少させるように行われる。
【００８６】
ＳＷ１の位置を位置Ａから位置Ｂに変更することにより、ＶＣＯ６０４の出力を光レシーバ２０２もしくはＶＣＯ６０５からのクロック入力と釣り合うようにすることができる。
【００８７】
（ＴＴＤの動作）
ＴＴＤでは、位相コンパレータ６０１は、２つのクロック信号間の位相差を測定し、かつ入力位相差に比例する電圧を発生する。あるクロック信号は常にＴＴＤに入力し、ＴＴＤのＶＣＯ６０４からの出力がフィードバックされる。他のクロック信号は、常に光レシーバ２０２から入力される。
【００８８】
ローパスフィルタ６０３は、位相コンパレータ６０１の出力を整形する。これは、位相ロックループをフィードバック制御システムから見て安定にするため、また高次周波数の内容を、ＳＷ２を介したＶＣＯ６０５への入力から除去するために行われる。
【００８９】
ＶＣＯ６０５は、入力電圧制御により制御された周波数を持つ出力クロックを提供する、オシレータである。
【００９０】
スイッチＳＷ２がＡの位置にある場合、位相コンパレータ６０１、ＬＰＦ６０３およびＶＣＯ６０５は、ＲＴＤで上述したものと同じように、位相ロックループを形成する。ＶＣＯ６０５の出力を位相コンパレータ６０１にフィードバックすることにより、ＶＣＯ６０５への入力は調整される。この調整は、ＬＰＦ６０３によって、位相コンパレータへの２つの入力の周波数および位相が等しくなるまで、ＶＣＯ６０５の出力周波数を増加または減少させるように行われる。
【００９１】
ＳＷ２の位置を位置Ａから位置Ｂに変更することにより、ＴＴＤにおける固定周波数の出力クロックを生成するように、ＶＣＯ６０４の出力を調整することができる。この出力クロックは、元のタイミングクロックであって、他のＰＬＬブロックはこれをロックしなければならない。
【００９２】
下記の表１は、図３Ａから３Ｃに示すような一般化された回路が、必要なタイミングを実行できるようにするための、スイッチＳＷ１およびＳＷ２の位置を示している。
【００９３】
【表１】
2006513678.tif 000003
【００９４】
ＳＷ１とＳＷ２の位置を変えることで単一物理回路が実現し、これにより必要なタイミング生成が全て実行される。
【００９５】
［ＩＩＩ．ＦＰＧＡベースコントローラの機能］
Ａ．ボブとアリス間の通信
タイミング同期は、トランスミッタからレシーバへタイミングドメインをリンクするために行われるだけではなく、データフレームを同期するためにも行われる。これは、トランスミッタとレシーバが、送信の他端でのレシーバとトランスミッタの状態を認識していない場合であっても、共に、データ通信チャネルを通過する同じ光子を操作していることを認識するためである。
【００９６】
再度図２Ｃを示すように、まとめて電気同期信号Ｓ４Ａ−１と表される電気的な同期パルス列は、コントローラ６０ＢにおけるＦＰＧＡ１３２Ｂにより生成され、光モデル５０Ｂにおける光送信部２００Ｂに通信される。光送信部２００Ｂは、まとめて同期信号Ｓ３’と表される光パルスに電気パルスを変換する。同期信号Ｓ３’は、サーキュレータ２０４ＢおよびＷＤＭ７８Ｂを通過し、タイミングチャネル５４（例えば、光ファイバＦ１）を介して伝播する。同期信号Ｓ３’は、光モデム５０Ａにおける対応する光レシーバ２０２Ａで受信される。
【００９７】
図４は、光同期信号Ｓ３を構成する同期パルスＰ３列を示す。実施例では、パルスの先端は、１０ｎｓから５０ｎｓのわずかな範囲である規定の時間間隔Ｔｏｃｌｋに留まっている。一方で、パルス幅ｗは、データを暗号化するために使用される。暗号化されたデータの例としては、論理０または１を定義するパルス幅により、信号の送信者がボブかアリスかを特定する（すなわち、認証）。レシーバで検出できるような変動する幅を持つパルスを送信できるだけの、十分な幅を利用可能となっている。
【００９８】
実施例において、同期信号Ｓ３とＳ３’は連続して送信される。すなわち、同期信号を送信する量子信号Ｓ１による妨害はない。これにより、量子チャネル２４のバンド幅は最適化される。
【００９９】
同期信号Ｓ３中のパルスＰ３は、光クロック周期Ｔｏｃｌｋでの動作中は、連続的に伝播する。フレーム同期パルスＰＡから続けて、コントローラ６０Ａおよび６０Ｂは共にタイミングを調整する。その結果、両コントローラは、同じビットを操作していることを認識する。必要であれば、独自のパターンをレシーバで認識可能にするために、フレーム同期パルスＰＡは繰り返されてもよい。
【０１００】
以下のフレームパルスＰＡは、任意数の多重データパルスであり、ＰＢからＰＮまでラベル付けされている。各パルスＰＢからＰＮは、レシーバとトランスミッタ各々の状態を公にするなど、調整タスクを支援するために、光モデムの各々のリンクについて、レシーバおよびトランスミッタ間にフレーム同期データを送信することも可能である。
【０１０１】
意味のないデータのパルスは、Ｐ０とラベル付けされ、次に続くフレーム同期パルス間の時間を埋めるために挿入され、再びＰＡとしてラベル付けされる。
【０１０２】
パルスの先端位置は、図３Ｄにおける位相コンパレータ６００と６０１により用いられる。データは、ＦＰＧＡ１３２Ａおよび１３２Ｂによってパルス幅で暗号化され、挿入される。フレーム同期パルス間の時間間隔ＰＡは、ＴFSYNCとして与えられる。
【０１０３】
Ｂ．パルスのタイミング生成
図５Ａは、ドライバにトリガパルスを生成するために用いられるＦＰＧＡに実装された、クロックベースのデジタルパルス発生器（ＤＰＧ）７００の概略図を示す。ＤＰＧ７００は、入力クロックの正方向の端部を増加させるカウンタ７０４を含む。入力クロックは、受信タイミングドメイン（ＲＴＤ）あるいは送信タイミングドメイン（ＴＴＤ）のいずれかにおける、クロック信号である。
【０１０４】
また、ＤＰＧ７００は、カウンタ７０４の値をターミナルカウント７０２と比較する、デジタルコンパレータ７０８を含む。ターミナルカウントに到達すると、カウンタは初期状態にリセットされる。デジタルコンパレータ７０８（ｑｃｌｏｃｋ）の出力は、量子パルスがＱＫＤシステムを介して（すなわち、アリスとボブの間）に送信される度に、一回パルス化される。ｑｃｌｏｃｋ信号は、量子パルス当たり一回動作する回路の動作をトリガするために、下記で用いられる。
【０１０５】
ＤＰＧ７００は、カウンタ７０４の値をＦＰＧＡレジスタと比較する、デジタルコンパレータ７１０も含む。ＦＰＧＡレジスタは、出力パルスが生成される位置を決定する。
【０１０６】
図５Ｂに示すように、図５Ａの回路はグループ化され、生成される各々のタイミング信号を複製する。送信タイミングマシン（ＴＴＭ）７２０は、量子チャネル上の送信された光パルスに同期する信号を全てグループ化し、ＤＰＧ７００の多重コピーと共にそれらを同時に生成する。ここでは、単一の一組のカウンタレジスタ７０４、ターミナルカウント７０２、およびデジタルコンパレータ７０８のみが要求され、ＴＴＭ７２０におけるＤＰＧ７００の全ての構成要素で共有される。
【０１０７】
ＴＴＭ７２０の出力は各々、ＴＴＭ７２０中の制御レジスタ７４０およびデジタルコンパレータとしてグループ化されるセパレートレジスタ７０６を有する。これにより、外部デバイス７６０を駆動するための時間内における異なった瞬間に、出力パルスを生成することが可能になる。
【０１０８】
図５Ｂに示すように、受信タイミングマシン（ＲＴＭ）７３０は、制御レジスタ７５０を含んでおり、量子チャネル上の受信光パルスに同期する信号を全てグループ化する。さらに、ＤＰＧ７００の多重コピーと共に、それらを同時に生成する。ここでは、単一の一組のカウンタレジスタ７０４、ターミナルカウント７０２、およびデジタルコンパレータ７０８のみが要求され、ＲＴＭ７３０におけるＤＰＧ７００の全ての構成要素で共有される。
【０１０９】
ＲＴＭ７３０各々の出力は、ＲＴＭ７３０中の制御レジスタ７５０およびデジタルコンパレータ７５２としてグループ化される、セパレートレジスタ７０６を有する。これにより、外部デバイス７７０を駆動するための時間内における異なった瞬間に、出力パルスを生成することが可能になる。
【０１１０】
ブロック７６０内にグループ化されている外部デバイス（例えば、レーザ１００Ｂと光送信部２００Ｂ）は、システムタイミングアプリケーションに依存して動的に変更できる。図２Ｃにも示すように、レーザ１００Ｂと光送信部２００Ｂは、共にＴＴＭにより駆動され、ＴＴＤ内部にある。外部デバイス７７０としての単一光子検出器１１４Ｂおよび１１６Ｂ、弁別器１２０Ｂおよび１２２Ｂ、変調ドライバ１１２Ｂ−Ｄは、全てＲＴＭで駆動され、ＲＴＤ内部にある。
【０１１１】
ドライバがＴＴＤにあるべきか、あるいはＲＴＤにあるべきかを選択、決定するには、要求されるタイミング補償を用いる。光経路Ｆ１に沿った送信時間が環境要因により変化すると、光経路Ｆ１に沿った量子チャネル２４およびタイミングチャネル５４上の信号の伝播所要時間は共に、同じ環境要因の影響を受けて、伝播時間を同じ時間分変更する。ＴＴＤにおける信号は、光経路Ｆ１に沿って伝播しないので、遅延することはない。一方、ＲＴＤにおける信号は、光経路伝播時間により遅延する。セパレートＲＴＤを使用することによって、光経路伝播時間における時間変動は、自動的に明らかになる。
【０１１２】
図２Ｅに示すように、ＴＴＤベースのレーザパルス１００ＢからＲＴＤベースの光子検出器１１４Ｂおよび１１６Ｂへ伝播する、パルスの時間遅延を測定可能にするために、ＲＴＤとＴＴＤは共にＯＴＤＲ機能に対してロックされている。これにより、光経路伝播時間の時間変動を除去するわけではなく、測定することが可能となる。この時間変動は、位置反射点ＲＰ１に関する情報を推定するために用いられる。この情報は、盗聴者によって設定された光タップである可能性もある。
【０１１３】
Ｃ．乱数の生成と挿入
図５Ｂに示すように、ＲＴＤにおける出力７７０は、全ての量子パルスに対して生じるイベント用のトリガである。例えば、変調ドライバ１１２Ｂ−Ｄは、変調器１１２Ｂを通過する全てのパルスに対する量子鍵配送処理の一部として、異なったランダムな値を設定しなければならない。
【０１１４】
また、ＱＫＤシステムを構成および調整するような場合には、ランダムではない一貫した値が変調器に与えられる。
【０１１５】
次に図６に示すように、ＲＮＧ部３０Ａの実施例は、ｑｃｌｏｃｋ信号の低レベルから高レベルへの遷移において新たな値を供給する、複数（例えば、４つ）の個別のデータソース３０Ａ−１から３０Ａ−４を含む。
【０１１６】
実施例として、データソース３０Ａ−１は、ハードウェアベースの真の乱数発生器であればよい。データソース３０Ａ−２は、疑似乱数発生器に基づいた線形シフトレジスタであればよい。データソース３０Ａ−３は、ランダムではない数を生成する固定短調データ出力であればよい。さらに、データソース３０Ａ−４は、外部入力データソースであればよい。これらのデータソースは全て、ｑｃｌｏｃｋ信号の低レベルから高レベルへの遷移中に、出力の値を更新しなければならない。
【０１１７】
図６のＲＮＧ部３０Ａの実施例は、変調ドライバ１１２Ａ−Ｄに提示するために、複数のデータソースのうちの１つを選択する、データソースセレクタＲＮＧ−Ｓを含む。変調器１１２Ａを駆動させるためのデータのコピーは、バッファされ、後で既知のＱＫＤ交換機構を実装する際に用いる。
【０１１８】
図５Ａに示すように、変調器１１２Ａを駆動するために、ＲＮＧ−Ｓからのデータが変調ドライバ１１２Ａ−Ｄによって出力された場合において、ＤＰＧ７００は、データが、そこを通過する光子を暗号化するために必要な時間よりも長い間、変調器に存在しないように制御を行う。
【０１１９】
Ｄ．外部周辺器の制御
図５ＡのＤＰＧ７００において、遅延分解能には、カウンタ７０４への入力クロック周波数（ＣＬＫ）に基づき、通常１００ＭＨｚから２００ＭＨｚの範囲で制限が加えられる。図７Ａに示すように、細密遅延ブロック７２８は、各々のデジタルコンパレータ７１０の出力の後に配置される。これは、出力されたパルスが細密な工程で調整されることを可能にし、また出力パルス幅の調整を可能にするためである。
【０１２０】
細密遅延ブロック７２８において、デジタルコンパレータ７１０の出力は、遅延ブロック７２２および７２４に接続されており、これらの遅延ブロックは各々、ロジックゲート７２６の別個の入力部に接続されている。ロジックゲート７２６の出力は、遅延ブロック７２２および７２４の分解能により調整される。
【０１２１】
コントローラ６０Ａは、遅延ブロック７２２と７２４に連結され、これらのブロックに遅延設定するプログラミングを行う。典型的な遅延ブロックは、入力を１０ｐｓ以上の段階で０から２０ｎｓまで遅延させることが可能である。
【０１２２】
図７Ｂに示すように、ブロック７１０のデジタル出力は、ブロック７０４へ入力されるＣＬＫの間隔の時間と幅ｗにより制限された出力パルスを示している。
【０１２３】
遅延７２２の出力は間隔ｔｄ１分遅延し、遅延７２４の出力は、間隔ｔｄ２分遅延する。ロジックゲート７２６は、開始がｔｄ２、終端がｔｄ１＋ｗ、かつ幅ｔｄ１−ｔｄ２＋ｗを持つパルスを形成するために、遅延７２２および遅延７２４の出力を結合する。
【０１２４】
実施例では、ｗは８．００ｎｓ、ｔｄ１は５．７２ｎｓ、ｔｄ２は８．４０ｎｓである。各々の端部の調整能が１０ｐｓの状態で、ロジックゲート７２６の出力パルスは、５．３２ｎｓの後に８．４０ｎｓとなる。
【０１２５】
ロジックゲート７２６における、他のロジックを用いることもできる。出力７２８は、ｔｄ１で始まり、ｔｄ２で終わる出力パルスを生じさせる、代替ロジックゲート（Ａ  ａｎｄ（ｎｏｔ  Ｂ））を示している。その結果、パルス幅は、幅ｗの変動によらずｔｄ２−ｔｄ１となる。
【０１２６】
Ｅ．単一光子データ収集と処理
図８は、本発明のＱＫＤシステム８００の例を示す概略図である。ＱＫＤシステム８００において、ＲＴＭ７３０ＡとＲＴＭ７３０Ｂは、上述のように同期している。さらにここでは、ＱＫＤプロセッサ８０６Ａおよび８０６Ｂに、既知のＱＫＤアルゴリズムを実装する際に要求されるデータ転送を実行する必要がある。
【０１２７】
タイミングチャネル５４を介して光モデム５０Ａと５０Ｂの間に送信される、同期信号Ｓ３に含まれるフレーム同期パルスは、ＱＫＤエンジン８０６Ａと８０６Ｂが、ＱＫＤシステムを通過する同じ光子からのデータを操作していることを保証するものである。
【０１２８】
量子鍵配送のために必要なプロセッサ８０６Ａの入力データは、ＲＮＧバッファ８０２Ａに格納されているように、単一光子に暗号化される位相もしくは遅延の状態を含む。さらに、ＱＫＤプロセッサ８０６Ｂから、公開データチャネル４４を介して提供される基準測定情報も含む。
【０１２９】
弁別器１２０Ｂと１２２Ｂは、各々２つの直交した偏光において、ＳＰＤ１１４ＢおよびＳＰＤ１１６Ｂが、単一光子を受信したかどうかを示す。ＲＴＭ７３０Ｂにおけるｑｃｌｏｃｋ出力からの各々の更新を伴って、単一光子状態はＳＰＤバッファ８０４Ｂに格納される。変調器の状態は、同期した状態でＲＮＧバッファ８０２に格納される。
【０１３０】
量子鍵配送のために必要な８０６Ｂの入力データは、ＲＮＧバッファ８０２Ｂからの単一光子に暗号化される位相もしくは遅延の状態を含んでおり、ＳＰＤバッファ８０４ＢからのＳＰＤ１１４Ｂと１１６Ｂによりもたらされる。基準測定情報は、公開データチャネル４４を介してＱＫＤプロセッサ８０６Ａへ提供される。
【０１３１】
以上、本特許出願は、２００３年２月７日に出願された、米国仮特許出願第６０／４４５，８０５号から、優先権を主張する。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１Ａ】アリスとボブとを接続する、量子チャネル、古典（データ）チャネル、およびタイミングチャネルを示す、本発明に係る対称なＱＫＤシステムの上位概略図である。加えて、各々のＱＫＤステーション（ボブとアリス）は、量子チャネル光レイヤ（「量子トランシーバ」）と、公開データトランシーバと、光モデムと、乱数発生部と、コントローラとを有している。
【図１Ｂ】図１Ａと同様な概略図であるが、各々のＱＫＤステーションはＷＤＭを有し、かつ量子チャネル、データチャネル、およびタイミングチャネルのための単一通信リンクを有する。
【図２Ａ】一方向型ＱＫＤシステムにおける、アリスの量子トランシーバの実施例に係る概略図である。
【図２Ｂ】一方向型ＱＫＤシステムにおける、図２Ａの量子トランシーバと共に使用するボブの量子トランシーバの実施例に係る概略図である。
【図２Ｃ】双方向型ＱＫＤシステムにおける、ボブの量子トランシーバの実施例に係る概略図である。
【図２Ｄ】双方向型ＱＫＤシステムにおける、図２Ｃの量子トランシーバと共に使用するアリスの量子トランシーバの実施例に係る概略図である。
【図２Ｅ】図２Ｃの光パルストランスミッタと量子トランシーバを使用する光タイムドメイン反射率計（ＯＴＤＲ）の実施例に係る概略図である。
【図３Ａ】図１Ａのタイミングシステムの光モデムに係る概略図である。各々の光モデムは、光サーキュレータと、光トランスミッタと、光レシーバと、付随位相ロックループとを含んでいる。さらに、モデムを接続するタイミングチャネルを介して各々の方向に伝播する同期信号と、それに加えて、受信タイムドメイン（ＲＴＤ）と送信タイムドメイン（ＴＴＤ）間の通信も図示している。
【図３Ｂ】図３Ａと同様な概略図であるが、モデムの他の実施例を示している。
【図３Ｃ】ＯＴＤＲモードで使用される、ボブの光モデムの一部に係る下位概略図である。
【図３Ｄ】光モデムにおける、光レシーバに連結された位相ロックループの下位概略図である。
【図４】タイミングシステムの光モデムを介して送信される同期信号の波長を図示した、タイミングダイアグラムである。同期信号は、同期データおよび制御データ、それに加えてタイミング情報も含む同期パルスを有する。
【図５Ａ】ドライバのトリガパルスを生成するために使用される、コントローラのＦＰＧＡに実装されるクロックベースのデジタルパルス発生器（ＤＰＧ）の概略図である。
【図５Ｂ】図５Ａにおいて使用されたパルスタイミング検出器の実施例に係る概略図であり、図５Ａの回路がどのように分類され、各々のタイミング信号を複製するかを示している。
【図６】変調ドライバに連結された多重データソースとデータソースセレクタを含む、ＲＮＧ部の実施例に係る概略図である。
【図７Ａ】出力されたパルスがより細密な工程を経て調整され、かつ出力パルス幅の調整が可能なように各々のデジタルコンパレータの出力の後に配置される、細密遅延ブロックの概略図である。
【図７Ｂ】デジタルコンパレータ、遅延ブロック、ロジックゲート、および細密遅延ブロックから出力されたパルスの相対的なタイミングを示す、電気信号のダイアグラムである。
【図８】本発明における、タイミングシステムとタイミング方法への応用に適したＱＫＤシステムの例の概略図である。
【図１Ａ】
2006513678.tif 000004
【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
2006513678.tif 000008
【図２Ｄ】
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【図４】
2006513678.tif 000015
【図５Ａ】
2006513678.tif 000016
【図５Ｂ】
2006513678.tif 000017
【図６】
2006513678.tif 000018
【図７Ａ】
2006513678.tif 000019
【図７Ｂ】
2006513678.tif 000020
【図８】
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【国際調査報告】
2006513678.tif 000022