(57)【要約】【課題】ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比を上げ、盗聴などの擾乱を検知し易くする。【解決手段】量子暗号通信装置１００Ａは、送信者側端末１、受信者側端末２及び通信路３からなる。端末１から端末２に比較的強度の強い参照光（パルス光Ｐ２）及びパルス毎にランダムに位相変調が加えられた微弱な信号光（パルス光Ｐ１）を送る。端末２でさらに参照光にパルス毎にランダムに位相変調を加えた後、これら参照光及び信号光に基づいてホモダイン検出を行って、秘密情報、例えば秘密鍵を得る。端末２は、端末１から通信路３を介して送られてくる参照光を増幅する増幅器１１を有している。この増幅器１１で参照光を増幅することで、ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比を上げることができる。なお、端末１が、端末２から通信路３を介して送られてくる参照光を増幅する増幅器を備えるようにしてもよい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置であって、
第１の通信端末と、第２の通信端末と、上記第１の通信端末および上記第２の通信端末を結ぶ通信路とを備え、
上記第１の通信端末は、
パルス光を発生する光源と、
上記光源から発生されるパルス光を信号光および参照光に分離する第１の光分離部と、
遅延器が挿入されている第１の光路と、
遅延器が挿入されていない第２の光路と、
上記第１の光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記信号光、および上記第１の光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記参照光を合成して、上記通信路に送出する光合成部と、
上記通信路を介して上記第２の通信端末から送られてくる上記参照光を増幅する増幅部と、
上記通信路を介して上記第２の通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を分離する第２の光分離部と、
上記第２の光分離部で分離され、上記第１の光路を通る上記参照光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第１の位相変調器と、
上記第２の光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記参照光、および上記第２の光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記信号光に基づいてホモダイン検出を行うホモダイン検出部とを有し、
上記第２の通信端末は、
上記通信路を介して上記第１の通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を所定の光路を介して上記通信路に送出する光送出部と、
上記所定の光路を通る上記信号光を減衰させる光減衰器と、
上記所定の光路を通る上記信号光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第２の位相変調器とを有する
ことを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項２】
上記第１の通信端末は、
上記通信路を介して上記第２の通信端末から送られてくる上記参照光のみを増幅するように上記増幅部の動作を制御する増幅制御部をさらに有する
ことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信装置。
【請求項３】
上記増幅部は、上記第１の光路に挿入されている
ことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信装置。
【請求項４】
上記第２の通信端末は、
上記通信路を介して上記第１の通信端末から送られてくる上記参照光を増幅する増幅部をさらに有する
ことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信装置。
【請求項５】
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置で使用される通信端末であって、
パルス光を発生する光源と、
上記光源から発生されるパルス光を信号光および参照光に分離する第１の光分離部と、
遅延器が挿入されている第１の光路と、
遅延器が挿入されていない第２の光路と、
上記第１の光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記信号光、および上記第１の光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記参照光を合成して、通信路に送出する光合成部と、
上記通信路を介して送られてくる上記参照光を増幅する増幅部と、
上記通信路を介して送られてくる上記信号光および上記参照光を分離する第２の光分離部と、
上記第２の光分離部で分離され、上記第１の光路を通る上記参照光にパルス毎にランダムな位相変調を加える位相変調器と、
上記第２の光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記参照光、および上記第２の光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記信号光に基づいてホモダイン検出を行うホモダイン検出部と
を有することを特徴とする通信端末。
【請求項６】
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置であって、
第１の通信端末と、第２の通信端末と、上記第１の通信端末および上記第２の通信端末を結ぶ通信路とを備え、
上記第１の通信端末は、
パルス光を発生する光源と、
上記光源から発生されるパルス光を信号光および参照光に分離する第１の光分離部と、
遅延器が挿入されている第１の光路と、
遅延器が挿入されていない第２の光路と、
上記第１の光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記信号光、および上記第１の光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記参照光を合成して、上記通信路に送出する光合成部と、
上記通信路を介して上記第２の通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を分離する第２の光分離部と、
上記第２の光分離部で分離され、上記第１の光路を通る上記参照光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第１の位相変調器と、
上記第２の光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記参照光、および上記第２の光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記信号光に基づいてホモダイン検出を行うホモダイン検出部とを有し、
上記第２の通信端末は、
上記通信路を介して上記第１の通信端末から送られてくる上記参照光を増幅する増幅部と、
上記通信路を介して上記第１の通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を所定の光路を介して上記通信路に送出する光送出部と、
上記所定の光路を通る上記信号光を減衰させる光減衰器と、
上記所定の光路を通る上記信号光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第２の位相変調器とを有する
ことを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項７】
上記第２の通信端末は、
上記通信路を介して上記第１の通信端末から送られてくる上記参照光のみを増幅するように上記増幅部の動作を制御する増幅制御部をさらに有する
ことを特徴とする請求項６に記載の量子暗号通信装置。
【請求項８】
上記増幅部は、
入力参照光を、第１の直線偏光および該第１の直線偏光と直交した偏光面を持つ第２の直線偏光に分離する第１の偏光ビームスプリッタと、
上記第１の偏光ビームスプリッタで分離された上記第１の直線偏光を増幅する第１のアンプと、
上記第１の偏光ビームスプリッタで分離された上記第２の直線偏光を増幅する、上記第１のアンプと同じ増幅率の第２のアンプと、
上記第１のアンプで増幅された上記第１の直線偏光および上記第２のアンプで増幅された上記第２の直線偏光を合成して出力参照光を得る第２の偏光ビームスプリッタを備える
ことを特徴とする請求項６に記載の量子暗号通信装置。
【請求項９】
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置で使用される通信端末であって、
通信路を介して送られてくる参照光を増幅する増幅部と、
上記通信路を介して送られてくる信号光および上記参照光を所定の光路を介して上記通信路に送出する光送出部と、
上記所定の光路を通る上記信号光を減衰させる光減衰器と、
上記所定の光路を通る上記信号光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第２の位相変調器とを有する
ことを特徴とする通信端末。
【請求項１０】
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置であって、
第１の通信端末と、第２の通信端末と、上記第１の通信端末および上記第２の通信端末を結ぶ通信路とを備え、
上記第１の通信端末は、
上記通信路を介して上記第２の通信端末から送られてくる上記参照光を増幅する増幅部と、
上記通信路を介して上記第２の通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を分離する第１の光分離部と、
第１の光路と、
上記第１の光路より短い第２の光路と、
上記第１の光分離部で分離され、上記第１の光路を通る上記参照光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第１の位相変調器と、
上記第１の光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記参照光および上記第１の光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記信号光に基づいてホモダイン検出を行うホモダイン検出部とを有し、
上記第２の通信端末は、
パルス光を発生する光源と、
上記光源から発生されるパルス光を上記信号光および上記参照光に分離する第２の光分離部と、
上記第１の通信端末の上記第１の光路に対応した光路長を持つ第３の光路と、
上記第１の通信端末の上記第２の光路に対応した光路長を持つ第４の光路と、
上記第３の光路を通る上記信号光を減衰させる光減衰器と、
上記第３の光路を通る上記信号光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第２の位相変調器と、
上記第２の光分離部で分離され、上記第３の光路を通過した上記信号光および上記第２の光分離部で分離され、上記第４の光路を通過した上記参照光を合成して、上記通信路に送出する光送出部とを有する
ことを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項１１】
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置で使用される通信端末であって、
通信路を介して送られてくる参照光を増幅する増幅部と、
上記通信路を介して送られてくる信号光および上記参照光を分離する第１の光分離部と、
第１の光路と、
上記第１の光路より短い第２の光路と、
上記第１の光分離部で分離され、上記第１の光路を通る上記参照光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第１の位相変調器と、
上記第１の光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記参照光および上記第１の光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記信号光に基づいてホモダイン検出を行うホモダイン検出部と
を有することを特徴とする通信端末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置および通信端末に関する。
【０００２】
詳しくは、この発明は、送信者側端末から受信者側端末に比較的強度の強い参照光およびランダムに位相変調が加えられた微弱な信号光を送り、受信者側端末でさらに参照光にランダムに位相変調を加えた後、これら参照光および信号光に基づいてホモダイン検出を行うものにあって、受信者側端末および送信者側端末のいずれかあるいは双方で参照光を増幅する構成とすることによって、ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を上げ、盗聴などの擾乱を検知し易くした量子暗号通信装置等に係るものである。
【背景技術】
【０００３】
第三者への情報漏洩を防ぐ手法として、ＲＳＡ暗号、ＥＩＧａｍａｌ暗号などの公開鍵暗号、ＡＥＳ，ＤＥＳなどの秘密鍵暗号がある。前者は、安全性が素因数分解問題、離散対数問題の困難さに起因している。そのため、量子コンピュータによる解読、あるいは未知の攻撃の脅威に常にさらされている。後者は、予め秘密鍵を送受信者が共有する必要があるため、通常は前者の手法を用いて鍵交換を行なう。さらに、前者と同様に，攻撃手法が日々進化しているため、将来、効率的な解読法が出現する可能性がある。一般に、これらは計算量的安全性に基づく暗号と言われている。
【０００４】
一方、バーナム暗号などの、完全秘匿可能な情報量的安全性に基づく暗号が提案されている。しかし、Ｓｈａｎｎｏｎにより示されたように、完全秘匿性を有するためには、送受信者が共有する鍵サイズが大きくなり、鍵配布が困難となる。
【０００５】
これらの問題を打開する手法として、Ｂｅｎｎｅｔｔらにより量子暗号が提案された。量子暗号とは、量子力学の原理を利用して秘密鍵を共有する手法である。微弱な光の状態を１回の測定により正確に特定できないことを用いる。この量子暗号の実装手法としては、微弱な信号光の測定手法により、大きく２つに分けることができる。
【０００６】
一方は、単一光子検出に基づく手法、もう一方はホモダイン検出に基づく手法である。前者の手法は、単一光子生成、検出を行なうところが特徴であり難点である。後者の手法は、レーザダイオードからの微弱コヒーレント光をフォトダイオードからなるホモダイン検出器を用いて測定するという特徴を有する。この手法は、室温で高効率の測定が可能である点で有望な手法と考えられている。
【０００７】
このホモダイン検出に基づく量子暗号プロトコルは、特許文献１で提案されている。また、長距離通信では回避が難しい光ファイバ上での偏光状態擾乱、光路長のずれに対処可能なプラグアンドプレイ実装も、特許文献２で提案されている。この特許文献２では、さらに、送受信者間で同期を取る手法が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１０１５７０号公報
【特許文献２】特開２００５−２８６４８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１，２に記載される量子暗号通信装置は、送信者側端末から受信者側端末に比較的強度の強い参照光およびランダムに位相変調が加えられた微弱な信号光を送り、受信者側端末では参照光にランダムに位相変調を加えた後にこれら参照光および信号光に基づいてホモダイン検出を行って信号光の位相情報を取り出す構成となっている。
【００１０】
このとき、送信側の信号基底と受信側の位相の基底が一致した時のみ有効な情報を共有することができる。このときのホモダイン検出後の信号レベルの平均値は、ｎ1を信号光の光子数、ｎ0を参照光の光子数とすると、上述の特許文献１に記載されているように、２√ｎ1√ｎ0となる。
【００１１】
光ファイバの損失は、０．２ｄＢ／ｋｍ以上なので、量子暗号情報を遠くに伝送しようとするときは減衰が問題になり、１００ｋｍでは減衰は１００分の１以下になる。このとき、ホモダイン検出後の信号レベルも上式から１００分の１以下になる。
【００１２】
このように量子暗号通信では、長距離化による信号の減衰は本質的なことであった。これに対する対策として、増幅はタブーであったため、送信強度を上げる、できるだけ感度の良い受信機を使うなどが採られたが、送信光量を上げると散乱光がリニアに増えて受信者側端末に漏れ込み悪影響がでたり、受信感度の上限などがあり、決定的な対策とはならなかった。
【００１３】
この発明の目的は、ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比を上げ、盗聴などの擾乱を検知し易くすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明の概念は、
第１の通信端末（受信者側端末）と、第２の通信端末（送信者側端末）と、上記第１の通信端末および上記第２の通信端末を結ぶ通信路とを備え、第１の通信端末の光源から第２の通信端末に通信路を通じてパルス光である信号光および参照光を送り、この第２の通信端末から第１の通信端末に比較的強度の強い参照光およびランダムに位相変調が加えられた微弱な信号光として送り返し、第１の通信端末でさらに送り返された参照光にランダムに位相変調を加えた後、これら送り返された参照光および信号光に基づいてホモダイン検出を行うものにあって、第１の通信端末および第２の通信端末末のいずれかあるいは双方に参照光を増幅する増幅部を有する量子暗号通信装置にある。
【００１５】
この発明において、量子暗号通信装置は、受信者側端末である第１の通信端末と、送信者側端末である第２の通信端末と、これら第１、第２の通信端末を結ぶ光ファイバ、あるいは自由空間からなる通信路とを備えている。
【００１６】
第１の通信端末（受信者側端末）の光源から発生されるパルス光は第１の光分離部で信号光および参照光に分離される。そして、遅延器が挿入された第１の光路を通過した信号光および遅延器が挿入されていない第２の光路を通過した参照光が合成されて、通信路に送出される。この場合、通信路には、最初に参照光が送出され、その後に所定の時間差をもって信号光が送出される。
【００１７】
第２の通信端末（送信者側端末）には、通信路を介して上述の参照光および信号光が送られてくる。これら参照光および信号光は所定の光路を介して再び通信路に送出される。この場合、この所定の光路を通る信号光は光減衰器により減衰され、通信路に送出される信号光の強度は微弱とされる。なお、この所定の光路を通る参照光は減衰されず、通信路に送出される参照光は比較的強度の強いものとなる。また、第２の位相変調器により、所定の光路を通る信号光に、パルス毎に、ランダムな位相変調が加えられる。これにより、信号光は秘密情報が位相変調量として載せられたものとなる。
【００１８】
第１の通信端末（受信者側端末）には、通信路を介して上述の参照光および信号光が送られてくるが、第２の光分離部でこれら参照光および信号光が分離される。上述したように参照光および信号光をこの第１の通信端末から第２の通信端末に送る際には、信号光が第１の光路を通過し、参照光が第２の光路を通過するようにされるが、第２の通信端末からこの第１の通信端末に送り返されたものに関しては、参照光が第１の光路を通過し、信号光が第２の光路を通過するようにされる。
【００１９】
また、第１の位相変調器により、第１の光路を通る参照光に、パルス毎に、ランダムな位相変調が加えられる。そして、第１の光路を通過した参照光および第２の光路を通過した信号光に基づいてホモダイン検出が行われる。このホモダイン検出器の検出情報から、上述したように第２の通信端末で信号光に載せられた秘密情報、例えば秘密鍵を得ることができる。
【００２０】
上述した構成の量子暗号通信装置において、さらに、第１の通信端末および第２の通信端末のいずれかあるいは双方で、参照光が増幅される。例えば、第１の通信端末に、第２の通信端末から通信路を介して送られてくる参照光を増幅する増幅部が設けられる。この場合例えば、第２の通信端末から送られてくる参照光のみが増幅されるように増幅部の増幅作用が制御される。これにより、増幅部が信号光の通過路にある場合であっても、増幅部で信号光を増幅することがなく、従って信号光の量子状態が変化するということはなくなる。
【００２１】
また例えば、第１の通信端末の第１の光路に増幅部が挿入される。上述したように、第２の通信端末からこの第１の通信端末に送り返されたものに関しては、参照光が第１の光路を通過し、信号光が第２の光路を通過する。そのため、このように第１の光路に増幅部を挿入することで、例えば上述したような増幅部の増幅作用の制御を不要とできる。
【００２２】
また例えば、第２の通信端末に、第１の通信端末から通信路を介して送られてくる参照光を増幅する増幅部が設けられる。この場合、上述した第１の通信端末の増幅部と共に、あるいは単独で設けられる。この場合例えば、第１の通信端末から送られてくる参照光のみが増幅されるように増幅部の増幅作用が制御される。これにより、参照光の到着検出の感度を高めることができ、また増幅部で信号光を増幅することがなく、信号光の量子状態が変化するということはなくなる。
【００２３】
この場合、増幅部は、例えば、入力参照光を、第１の直線偏光およびこの第１の直線偏光と直交した偏光面を持つ第２の直線偏光に分離する第１の偏光ビームスプリッタと、この第１の偏光ビームスプリッタで分離された第１の直線偏光を増幅する第１のアンプと、第１の偏光ビームスプリッタで分離された第２の直線偏光を増幅する、第１のアンプと同じ増幅率の第２のアンプと、第１のアンプで増幅された第１の直線偏光および第２のアンプで増幅された第２の直線偏光を合成して出力参照光を得る第２の偏光ビームスプリッタを備えるものとされる。
【００２４】
例えば、第１の通信端末から通信路に供給される信号光および参照光は分離の便宜のために互いに直交する偏光面を持つ直線偏光とされるが、第２の通信端末に入力される偏光は通信路の途中で揺らぐ可能性がある。増幅部を上述した構成とすることで、出力参照光の偏光状態を入力参照光の偏光状態と同じ状態に保つことができる。
【００２５】
上述したように第１の通信端末および第２の通信端末のいずれかあるいは双方で、参照光が増幅されることで、ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比を上げ、盗聴などの擾乱が検知し易くなる。また、ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比が従来と同じ状態を維持するのであれば、参照光の増幅分だけ量子暗号通信の距離を伸ばすことができ、あるいは参照光の増幅分だけ光源の発光強度を抑えて、この光源の寿命を伸ばすことができる。
【００２６】
また、この発明の概念は、
第１の通信端末（受信者側端末）と、第２の通信端末（送信者側端末）と、上記第１の通信端末および上記第２の通信端末を結ぶ通信路とを備え、第２の通信端末から第１の通信端末に比較的強度の強い参照光およびランダムに位相変調が加えられた微弱な信号光を送り、第１の通信端末では参照光にランダムに位相変調を加えた後これら参照光および信号光に基づいてホモダイン検出を行うものにあって、第１の通信端末に参照光を増幅する増幅部を有する量子暗号通信装置にある。
【００２７】
この発明において、量子暗号通信装置は、受信者側端末である第１の通信端末と、送信者側端末である第２の通信端末と、これら第１、第２の通信端末を結ぶ光ファイバ、あるいは自由空間からなる通信路とを備えている。
【００２８】
第２の通信端末（送信者側端末）の光源から発生されるパルス光は第２の光分離部で信号光および参照光に分離される。光路長の長い第３の光路を通る信号光は光減衰器により減衰され、通信路に送出される信号光の強度は微弱とされる。なお、光路長の短い第４の光路を通る参照光は減衰されず、通信路に送出される参照光は比較的強度の強いものとなる。また、第２の位相変調器により、第３の光路を通る信号光に、パルス毎に、ランダムな位相変調が加えられる。これにより、信号光は秘密情報が位相変調量として載せられたものとなる。そして、第３の光路を通過した信号光および第４の光路を通過した参照光が合成されて、通信路に送出される。
【００２９】
第１の通信端末（受信者側端末）には、通信路を介して上述の参照光および信号光が送られてくるが、第１の光分離部でこれら参照光および信号光が分離される。信号光は上述した第２の通信端末の第４の光路に対応した光路長を持つ第２の光路を通過し、参照光は上述した第２の通信端末の第３の光路に対応した光路長を持つ第１の光路を通過するようにされる。
【００３０】
第１の光路を通る参照光に、パルス毎に、ランダムな位相変調が加えられる。そして、第１の光路を通過した参照光および第２の光路を通過した信号光に基づいてホモダイン検出部でホモダイン検出が行われる。このホモダイン検出部の検出情報から、上述したように第２の通信端末で信号光に載せられた秘密情報、例えば秘密鍵を得ることができる。
【００３１】
上述した構成の量子暗号通信装置において、さらに、第１の通信端末で、参照光が増幅される。つまり、第１の通信端末に、第２の通信端末から通信路を介して送られてくる参照光を増幅する増幅部が設けられる。この増幅部は、例えば第１の光路に挿入され、参照光のみを増幅するようにされる。
【００３２】
上述したように第１の通信端末で参照光が増幅されることで、ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比を上げることができ、盗聴などの擾乱が検知し易くなる。また、ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比が従来と同じ状態を維持するのであれば、参照光の増幅分だけ量子暗号通信の距離を伸ばすことができ、あるいは参照光の増幅分だけ光源の発光強度を抑えて、この光源の寿命を伸ばすことができる。
【発明の効果】
【００３３】
この発明によれば、送信者側端末から受信者側端末に比較的強度の強い参照光およびランダムに位相変調が加えられた微弱な信号光を送り、受信者側端末でさらに参照光にランダムに位相変調を加えた後、これら参照光および信号光に基づいてホモダイン検出を行うものにあって、受信者側端末および送信者側端末のいずれかあるいは双方で参照光を増幅するものであり、ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比を上げることができ、盗聴などの擾乱を検知し易くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
この発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態としての量子暗号通信装置１００Ａの構成を示している。
【００３５】
この量子暗号通信装置１００Ａは、第２の通信端末としての送信者側端末１と、第１の通信端末としての受信者側端末２と、これら送信者側端末１および受信者側端末２を結ぶ通信路３とを備えている。この量子暗号通信装置１００Ａは、通信路３を介して、送信者側端末１から受信者側端末２に向けて秘密情報を送信する。この秘密情報は、例えば共通鍵暗号方式において使用される共有秘密鍵などの秘密情報である。
【００３６】
受信者側端末２は、光源４、サーキュレータ５、分岐比が１対１のビームスプリッタ６、位相変調器７、遅延器８、ビームスプリッタ９、偏光ビームスプリッタ１０、増幅器１１、検出器１２、ホモダイン検出器１５およびコントローラ１７を有している。
【００３７】
また、送信者側端末１は、ビームスプリッタ１９、遅延器２０、位相変調器２１、可変減衰器２２、ファラデーミラー２４、検出器２６およびコントローラ２８を有している。
【００３８】
通信路３として、光ファイバあるいは自由空間を用いることができる。自由空間を通信路３とするときは、望遠鏡を使用して通信路３における光ビームの径を大きくすることにより、光の回折の影響を小さくすることができる。
【００３９】
以下、量子暗号を適用した通信処理の動作シーケンスに従って、各構成部における処理の詳細を説明する。
【００４０】
受信者側端末２の光源４で発生するパルス光が、通信路３を介して送信者側端末１へ送信され、その送信データが再度、通信路３を介して受信者側端末２へ戻ってくるという順番で動作するので、その順番に従って説明する。
【００４１】
受信者側端末２のサーキュレータ５は、光源４からの光がビームスプリッタ６へ出力され、ビームスプリッタ６から戻ってきた光がホモダイン検出器１５へ出力されるように光路制御を実行する。
【００４２】
受信者側端末２の光源４から発生したパルス光は、サーキュレータ５を介してビームスプリッタ６に入力されると、ビームスプリッタ６において、信号光であるパルス光Ｐ１および参照光であるパルス光Ｐ２に分離される。
【００４３】
ビームスプリッタ６から位相変調器７、遅延器８、ビームスプリッタ９、増幅器１１を経て偏光ビームスプリッタ１０に進むパルス光をＰ１とする。また、ビームスプリッタ６から直接偏光ビームスプリッタ１０に進むパルス光をＰ２とする。図では、受信者側端末２から送信者側端末１へ向かうパルス光Ｐ１，Ｐ２を実線矢印で示し、送信者側端末１から受信者側端末２へ戻るパルス光Ｐ１，Ｐ２を点線矢印で示している。
【００４４】
ビームスプリッタ６から偏光ビームスプリッタ１０へ進む２つの経路は偏波保存ファイバで各部品間を接続し、パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２が偏光ビームスプリッタ１０で合流し、通信路３に送出されるときには、パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２は互いに直交する直線偏光となる。
【００４５】
ただし、遅延器８により、パルス光Ｐ１はパルス光Ｐ２よりも遅れて通信路３に入力される。パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２の時間差は、光源４のパルス光のコヒーレンス時間よりも十分長くなければならず、また、受信者側端末２の位相変調器７と、送信者側端末１の位相変調器２１および可変減衰器２２の応答時間よりも長くなるように選ぶ。
【００４６】
送信者側端末１では、受信者側端末２から通信路３を経由してパルス光Ｐ１、Ｐ２を受信する。送信者側端末１では、通信路３からのパルス光Ｐ１，Ｐ２をビームスプリッタ１９に入力する。ビームスプリッタ１９は、大部分の光を遅延器２０側に出力し、一部の光のみを検出器２６側に出力するように入力光の分岐処理を行なう。
【００４７】
ビームスプリッタ１９の分岐比は、検出器２６がパルス光Ｐ２の到着をモニターできる強度となる範囲でなるべく多くの光が遅延器２０側に進むように設定する。例えば、遅延器２０側と検出器２６側との分岐比は９対１に設定される。
【００４８】
検出器２６は、パルス光Ｐ２の到着をモニターするために用いる。検出器２６としては、例えばフォトダイオードもしくはアバランシェフォトダイオードと、これに増幅器を組み合わせた構成を適用できる。フォトダイオードとアバランシェフォトダイオードには、パルス光の波長が可視域もしくは近赤外の場合にはＳｉを、波長が１．３μｍ〜１．６μｍの場合にはＧｅもしくはＩｎＧａＡｓを用いることができる。なお、詳細説明は省略するが、送信者側端末１の検出器１２も、検出器２６と同様に構成される。
【００４９】
検出器２６の検出出力は、コントローラ２８に供給される。図１においては、位相変調器２１が可変減衰器２２より通信路３側に設置された例を示しているが、可変減衰器２２を位相変調器２１より通信路３側に設置する構成であってもよい。
【００５０】
コントローラ２８は、位相変調器２１と可変減衰器２２を制御する。この場合、パルス光Ｐ２に対しては、可変減衰器２２の透過率が高くなるようにし、位相変調器２１は作用させない。一方、パルス光Ｐ１に対しては、可変減衰器２２の減衰量を大きくして透過率を低くし、さらに位相変調器２１により適当な位相変調処理を実行する。
【００５１】
また、コントローラ２８は、検出器２６の検出出力に基づいて、パルス光Ｐ２（参照光）の到着を知ることができ、位相変調器２１におけるパルス光Ｐ１（信号光）に対する位相変調の処理開始タイミングを制御する。これにより、位相変調器２１においては、パルス光Ｐ１（信号光）を構成する各パルスに対して正しいタイミングで位相変調の処理を行うことができる。
【００５２】
例えば、４つの量子状態を用いる量子暗号を行う場合には、０度（０ラジアン）、９０度（π／２ラジアン）、１８０度（πラジアン）、２７０度（３π／２ラジアン）の位相変調をパルス毎にランダムに加える。可変減衰器２２には、音響光学素子またはＬｉＮｂＯ3強度変調器を用いることができる。位相変調器２１には、ＬｉＮｂＯ3位相変調器を用いることができる。
【００５３】
受信者側端末２から通信路３を介して送信者側端末１に入力したパルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２は送信者側端末１のファラデーミラー２４で反射され、受信者側端末２に戻される。したがって、パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２は送信者側端末１の位相変調器２１と可変減衰器２２とを、往復で２回通ることになる。可変減衰器２２の減衰量は、送信者側端末１から受信者側端末２へ戻っていくパルス光Ｐ１のパルスあたりの平均光子数が１個程度となるように設定する。
【００５４】
一方、送信者側端末１から受信者側端末２へ戻っていくパルス光Ｐ２のパルスあたりの平均光子数は、受信者側端末２側のホモダイン検出器１５におけるＳ／Ｎ比が最適になるように選ぶ。典型的なパルス光Ｐ２の強度はパルスあたりの平均光子数が１０6個程度である。このとき、送信者側端末１側の可変減衰器２２のパルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２に対する相対的な透過率の典型的な比は、１０-6：１程度となる。
【００５５】
上述したように、ホモダイン検出法は微弱な信号光（パルスあたりの平均光子数が１個程度）と比較的強度の強い参照光（典型的な平均光子数はパルスあたり１０6個程度）を重ね合わせて信号光の状態を測定する方法である。送信者側端末１から受信者側端末２へ戻っていくパルス光Ｐ１が、平均光子数が１個程度となる信号光に相当する。また、送信者側端末１から受信者側端末２へ戻っていくパルス光Ｐ２が、平均光子数が１０6個程度の参照光に相当する。
【００５６】
送信者側端末１の位相変調器２１と可変減衰器２２とはともに、通信路３から送信者側端末１へ入るパルス光の偏光状態に依存しない位相変調と減衰を与える必要があるが、パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２の反射にファラデーミラー２４を用いることで、自動的にこの条件を満たすことができる。可変減衰器２２に音響光学素子を用いる場合には、ほぼ光の偏光状態に依存しない透過率となるので、この場合、パルス光Ｐ１に対する可変減衰器２２の１回あたりの透過率は１０-3程度に設定する。
【００５７】
送信者側端末１において上述の処理がなされた減衰パルス光と非減衰パルス光、すなわち減衰パルス光であるパルス光Ｐ１と、非減衰パルス光であるパルス光Ｐ２は、通信路３を介して受信者側端末２に入力される。減衰パルス光であるパルス光Ｐ１は信号光に相当し、非減衰パルス光であるパルス光Ｐ２は参照光に相当する。
【００５８】
送信者側端末１から通信路３を介して受信者側端末２に入力されたパルス光Ｐ１（信号光）とパルス光Ｐ２（参照光）は、偏光ビームスプリッタ１０により分岐される。この場合、パルス光Ｐ１は直接ビームスプリッタ６へ入力される短い経路へ出力され、パルス光Ｐ２は増幅器１１、ビームスプリッタ９、遅延器８および位相変調器７を通る長い経路へ出力される。図では、パルス光Ｐ１（信号光）、パルス光Ｐ２（参照光）をそれぞれ点線矢印で示している。
【００５９】
パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２は、送信者側端末１に設置されたファラデーミラー２４によって反射された光であるので、受信者側端末２の偏光ビームスプリッタ１０へ戻ってきたパルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２は、受信者側端末２から出力されたパルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２に対してそれぞれ９０度偏光面が回転した直線偏光になっている。
【００６０】
この偏光に起因して、受信者側端末２に入力されたパルス光Ｐ１は、偏光ビームスプリッタ１０により、直接ビームスプリッタ６へ入力される短い経路へ出力され、パルス光Ｐ２は、増幅器１１、ビームスプリッタ９、遅延器８、位相変調器７を通る長い経路へ出力される。
【００６１】
すなわち、受信者側端末２の偏光ビームスプリッタ１０とビームスプリッタ６の間の経路は、受信者側端末２から送信者側端末１へ向かう際のパルス光Ｐ１，Ｐ２と、逆に送信者側端末１から受信者側端末２へ戻ったパルス光Ｐ１，Ｐ２とで入れ替わることになる。
【００６２】
この構成では、送信者側端末１における減衰処理によって減衰された微弱なパルス光Ｐ１（信号光）は、受信者側端末２では、余分な光学部品のない短い経路を通るため、受信者側端末２に戻ってきたパルス光Ｐ１の光損失を小さくすることができる。
【００６３】
増幅器１１は、光源４からパルス光の発光に関連して出力される制御信号に基づいて、送信者側端末１から通信路３を介して送られてくるパルス光Ｐ２（参照光）のみを増幅するように制御される。この場合、受信者側端末２から送信者側端末１にパルス光Ｐ１，Ｐ２を送る往路では、パルス光Ｐ１（信号光）が増幅器１１を通過するが、その際にはこの増幅器１１の増幅作用は停止される。
【００６４】
なお、増幅器１１は、復路のパルス光Ｐ２（参照光）が通過する光路に配置されているので、上述したように光源４からの制御信号によって増幅作用を行うタイミングが制御されることなく、常に増幅作用を行うようにしてもよい。この場合、往路のパルス光Ｐ１（信号光）は増幅器１１によって増幅されることとなるが、送信者側端末１の可変減衰器２２の減衰量が大きければ、この送信者側端末１から再び通信路３に送出されるパルス光Ｐ１の平均光子数を充分に少なくできる。
【００６５】
また、増幅器１１を偏光ビームスプリッタ１０とビームスプリッタ９との間ではなく、パルス光Ｐ１（信号光）も通過する、通信路３と偏光ビームスプリッタ１０との間に挿入することも考えられる。この場合、上述したように送信者側端末１から通信路３介して送られてくるパルス光Ｐ２（参照光）のみを増幅するように増幅器１１の動作が制御されていれば、パルス光Ｐ１（信号光）を増幅して、その量子状態を変化させるということはない。
【００６６】
一方、偏光ビームスプリッタ１０により分岐された、典型的なパルスあたりの光子数が１０6個程度であるパルス光Ｐ２（参照光）は、ビームスプリッタ９により、遅延器８へ進むパルス光と検出器１２へ進むパルス光に分かれる。ビームスプリッタ９の典型的な分岐比は９対１とされ、大部分のパルス光が遅延器８側に進むように設定される。
【００６７】
受信者側端末２の検出器１２の構成は、送信者側端末１の検出器２６と同様で、ビームスプリッタ９の分岐比に関しても、パルス光Ｐ２の到着が検出できる範囲でなるべく多くの光が遅延器８側に出力されるように設定する。
【００６８】
検出器１２の出力はコントローラ１７に供給される。コントローラ１７は位相変調器７をコントロールするほか、ホモダイン検出器１５の出力を読み出すタイミングをコントロールする働きを持つ。なお、上述したように増幅器１１でパルス光Ｐ２が増幅されるので、検出器１２における検出感度が高められる。
【００６９】
コントローラ１７は、検出器１２の検出出力に基づいて、パルス光Ｐ２（参照光）の到着を知ることができ、位相変調器７におけるパルス光Ｐ２（参照光）に対する位相変調の処理開始タイミングを制御する。これにより、位相変調器７においては、パルス光Ｐ２（参照光）を構成する各パルスに対して正しいタイミングで位相変調の処理が行われる。
【００７０】
位相変調器７は、遅延器８を通ったパルス光Ｐ２に、パルス毎に、ランダムな位相変調を与える。４つの量子状態を用いる量子暗号の場合は、０度（０ラジアン）または９０度（π／２ラジアン）の位相変調をランダムに与える。
【００７１】
往路、すなわち受信者側端末２から送信者側端末１へ向かう際には、長い経路（ビームスプリッタ６→位相変調器７→遅延器８→ビームスプリッタ９→増幅器１１→偏光ビームスプリッタ１０）を通ったパルス光Ｐ１は、復路では短い経路（偏光ビームスプリッタ１０→ビームスプリッタ６）を通る。一方、往路では短い経路（ビームスプリッタ６→偏光ビームスプリッタ１０）を通ったパルス光Ｐ２は、復路では長い経路（偏光ビームスプリッタ１０→増幅器１１→ビームスプリッタ９→遅延器８→位相変調器７→ビームスプリッタ６）を通る。
【００７２】
このように、パルス光Ｐ１，Ｐ２は、受信者側端末２と送信者側端末１との間の往復において全く等距離の経路を経由することになり、パルス光Ｐ１（信号光）とパルス光Ｐ２（参照光）は同時にビームスプリッタ６に到着する。
【００７３】
パルス光Ｐ１は量子力学的な性質が現れる信号光で、それに比べて強度の強いパルス光Ｐ２を参照光（「局部発振光」ともいう）として用いて、パルス光Ｐ１のホモダイン検出を行うことになる。ビームスプリッタ６の２つの出力は、片方は直接、もう片方はサーキュレータ５を通って、ホモダイン検出器１５へ入力される。
【００７４】
ホモダイン検出器１５の２つの入力部には、それぞれフォトダイオードを設置する。フォトダイオードには、パルス光の波長が可視域もしくは近赤外の場合にはＳｉを、波長が１．３μｍ〜１．６μｍの場合にはＧｅもしくはＩｎＧａＡｓを用いることができる。２つのフォトダイオードの出力は、低雑音で利得の高い増幅器に入力され、さらにこの増幅器の出力を、パルス光Ｐ２（参照光）の強度や増幅器の利得等を使って規格化すると、パルス光Ｐ１（信号光）の直交位相振幅が得られる。このホモダイン検出器１５の検出情報から通信秘密情報、例えば秘密鍵を得ることができる。
【００７５】
図１に示す量子暗号通信装置１００Ａにおける、送信者側端末１と受信者側端末２との間の通信による秘密情報の共有シーケンスの概要について、図２〜図４を参照して説明する。
【００７６】
まず、図２に示すように、受信者側端末２から往路のパルス光Ｐ１，Ｐ２が送信者側端末１に出力され、送信者側端末１から受信者側端末２に復路のパルス光Ｐ１，Ｐ２が戻される。ここで、送信者側端末１は、受信者側端末２からのパルス光Ｐ１，Ｐ２のうち、パルス光Ｐ１（信号光）に位相変調器２１を適用して、｛０，π／２，π，３π／２｝のいずれかの位相変調を施す。この位相変調系列が図２下段の表の（ｂ）のデータ送信側位相変調系列に相当する。
【００７７】
送信者側端末１が、パルス光Ｐ１に対して実行する位相変調系列（図２の下段の表の（ｂ））はランダムに選択された系列であってよい。あるいは、予め図２の下段の表の（ａ）選択ビットを設定した後、その選択ビットに対応する変調を行なってもよい。なお、例えば、ビット０に対しては、０またはπ／２の位相変調光とし、ビット１に対しては、π，または３π／２の位相変調が対応付けられているものとする。
【００７８】
このような位相変調が行なわれたパルス光Ｐ１は可変減衰器２２（図１参照）によって減衰された信号光として受信者側端末２に戻される。なお、パルス光Ｐ２（参照光）は減衰されることなく受信者側端末２に戻される。送信者側端末１から受信者側端末２に戻されるパルス光Ｐ１は微弱な信号光（パルスあたりの平均光子数が１個程度）であり、送信者側端末１から受信者側端末２に戻されるパルス光Ｐ２は、比較的強度の強い参照光（典型的な平均光子数はパルスあたり１０6個程度）である。
【００７９】
この戻りパルス光Ｐ１（信号光）と、戻りパルス光Ｐ２（参照光）を受信した受信者側端末２は、位相変調器７において、例えば｛０，π／２｝のいずれかをランダムに選択して、パルス光Ｐ２（参照光）に対する位相変調を行いホモダイン検出器１５において干渉を測定する。
【００８０】
例えば、受信者側端末２の位相変調器７において、図２の下段の表に示す（ｃ）の位相変調処理を実行した場合、ホモダイン検出器１５においては、（ｄ）に示すビット検出が可能となる。（ｄ）干渉に基づく確認ビットに示すデータにおいて、［０］，［１］が、干渉によるビット識別が実行できた部分であり、［×］は、ビット識別が実行できなかった部分である。ビット識別の可否は、前述したように送信者側端末１と受信者側端末２において実行される位相変調処理の組み合わせによって決定される。
【００８１】
例えば、受信者側端末２のホモダイン検出器１５は、図２の下段の表の（ｄ）干渉に基づく確認ビットに示すデータに示すように、位相変調処理の組み合わせが所定条件を満足する場合にのみ、ビット［０］、または［１］が検出されることになる。［×］は、ビットの識別が実行できなかった部分である。
【００８２】
その後、受信者側端末２は、図３に示すように、受信者側端末２において適用した変調系列情報、すなわち図の下段の表の（ｃ）の情報列を送信者側端末１に通知する。図に示す｛０，０，π／２，π／２，０・・｝である。
【００８３】
送信者側端末１は、受信者側端末２から受領した変調系列情報に基づいて、ビット検出に適応した正しい変調が行なわれた部位と、正しくない変調が行なわれた部位を示す情報を生成して受信者側端末２に送信する。すなわち図の下段の表の（ｅ）の情報列を受信者側端末２に通知する。図に示す｛○，×，○，×，○，○・・｝である。なお、図３に示す受信者側端末２からの変調系列情報｛０，０，π／２，π／２，０・・｝、送信者側端末１からの情報｛○，×，○，×，○，○・・｝は公開通信路を適用してよい。
【００８４】
次に、図４に示すように、受信者側端末２は、検出されたビット情報列を送信者側端末１に通知する。図に示す｛０，０，１，０・・｝である。一方、送信者側端末１は、受信者側端末２側で検出可能な位相変調を行なった部分のみのビット列情報を受信者側端末２に通知する。図に示す｛０，０，１，０・・｝である。これは、図４の下段の表において、（ａ）の選択ビットから（ｅ）送受信側の変調適合において［○］が設定されたもののみを選択したビット系列である。これらの通知処理も公開通信路を介して実行してよい。
【００８５】
通信路３において通信データの盗聴が行なわれていない場合は、図４に示すビットの相互通知処理において、すべての確認ビットが一致する。しかし、通信路３において通信データの盗聴が行なわれると、ビットの相互通知処理において、相互の通知ビットのずれが発生する。これは、通信路３の盗聴により、変調状態が変化してしまうことによる。通信路３における盗聴がない場合には、相互の通知ビットのずれは発生することがない。
【００８６】
このようなデータ通信により、例えば共通鍵暗号方式における秘密鍵などの秘密情報を共有することが可能となる。なお、例えば秘密鍵ｎビットを共有する場合は、図４を参照して説明した相互通知処理のなされたビットが互いに一致することを確認した後、予め相互に通知済みの共通のビット選択処理により、上記処理によって共有できたｍビット（ｍ＞ｎ）からｎビットを選択するなどの処理が実行される。
【００８７】
図１の構成によれば、端末間で往復通信路を形成し、信号光として利用されるパルス光Ｐ１と、参照光（局部発信光）として利用されるパルス光Ｐ２との往復経路距離が同一となり、受信者側端末２のビームスプリッタ６に到着するタイミングは、信号光として利用されるパルス光Ｐ１と、参照光として利用されるパルス光Ｐ２が全く同じタイミングとなり、ホモダイン検出器１５における干渉測定を正確に実行することが可能となる。
【００８８】
具体的には、図１の受信者側端末２のビームスプリッタ６と偏向ビームスプリッタ１０との間の経路を往路と復路で、パルス光Ｐ１，Ｐ２が入れ替わる構成とすることで、受信者側端末２と送信者側端末１との間を往復する２つのパルス光Ｐ１，Ｐ２の往復経路距離が等しくなり、この結果、ホモダイン検出器１５における干渉測定を正確に実行することが可能となっている。
【００８９】
また、図１の構成によれば、受信者側端末２において送信者側端末１から通信路３を介して送られてくるパルス光Ｐ２（参照光）が増幅されるものであり、ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比を上げることができ、盗聴などの擾乱が検知し易くなる。また、ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比が従来と同じ状態を維持するのであれば、パルス光Ｐ２（参照光）の増幅分だけ量子暗号通信の距離（通信路３の長さ）を伸ばすことができ、あるいはパルス光Ｐ２（参照光）の増幅分だけ受信者側端末２の光源４、例えばレーザ光源の発光強度を抑えることができ、この光源４の寿命を伸ばすことができる。
【００９０】
次に、この発明の他の実施の形態について説明する。図５は、他の実施の形態としての量子暗号通信装置１００Ｂの構成を示している。この図５において、図１と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明は省略する。
【００９１】
この量子暗号通信装置１００Ｂにおいては、図１の量子暗号通信装置１００Ａのように受信者側端末２に増幅器１１を設ける代わりに、送信者側端末１に、通信路３を介して受信者側端末２から送られてくる参照光を増幅する増幅器２９が設けられる。この増幅器２９は、ビームスプリッタ１９と通信路３との間の光路に挿入されている。
【００９２】
増幅器２９は、コントローラ２８からの制御信号に基づいて、受信者側端末２から通信路３を介して送られてくるパルス光Ｐ２（参照光）のみを増幅するように制御される。上述したように、コントローラ２８は、検出器２６の検出出力によりパルス光Ｐ２（参照光）の到着を知ることができる。なお、このように増幅器２９で通信路３を介して送られてくるパルス光Ｐ２が増幅されるので、検出器２６における検出感度が高められる。
【００９３】
図６は、増幅器２９の構成例を示している。増幅器２９は、例えば、入力パルス光Ｐ２in（参照光）を、Ｈ偏光（第１の直線偏光）およびこのＨ偏光と直交した偏光面を持つＶ偏光（第２の直線偏光）に分離する偏光ビームスプリッタ２９ａと、この偏光ビームスプリッタ２９ａで分離されたＨ偏光を増幅するアンプ２９ｂと、偏光ビームスプリッタ２９ａで分離されたＶ偏光を増幅する、アンプ２９ｂと同じ増幅率のアンプ２９ｃと、アンプ２９ｂで増幅されたＨ偏光およびアンプ２９ｃで増幅されたＶ偏光を合成して出力パルス光Ｐ２out（参照光）を得る偏光ビームスプリッタ２９ｄとを備えている。
【００９４】
ここで、アンプ２９ｂ，２９ｃとしては、ＳＯＡ(Semiconductor  Optical  Amplifier)、あるいはファイバーアンプを用いることができる。増幅作用のオンオフについては、ＳＯＡの場合は注入電流のオンオフで行われ、ファイバーアンプの場合は励起光のオンオフで行われる。
【００９５】
なお、可変減衰器２２の減衰量が充分大きい場合は、増幅器２９を、可変減衰器２２とファラデーミラー２４との間に配置することも可能である。この場合、増幅器２９は、上述したようにコントローラ２８により増幅動作を行うタイミングが制御される必要はなく、常に増幅作用を行い、可変減衰器２２は、ファラデーミラー２４で反射されるパルス光Ｐ１（信号光）が通るタイミングで、このパルス光Ｐ１に対し、パルスあたりの平均光子数が１個程度となるように減衰処理を行うようにされる。
【００９６】
上述したように受信者側端末２から通信路３に供給されるパルス光Ｐ１，Ｐ２は、送り返されたときの分離の便宜のために互いに直交する偏光面を持つ直線偏光とされている。しかし、送信者側端末１に入力されるパルス光Ｐ１，Ｐ２の状態は、通信路３の途中で揺らぐ可能性があることから、Ｈ偏光とそれと位相の異なったＶ偏光からなる楕円偏光として表される。増幅器２９は、この楕円偏光をそのまま増幅する必要がある。増幅器２９を、図６に示す構成とすることで、出力パルス光Ｐ２outの偏光状態を入力パルス光Ｐ２inの偏光状態と同じ状態に保つことができる。
【００９７】
図５に示す量子暗号通信装置１００Ｂのその他は、図１に示す量子暗号通信装置１００Ａと同様に構成され、その処理動作も同様である。また、この量子暗号通信装置１００Ｂにおける端末１，２間の通信による秘密情報の共有シーケンスについても、上述した量子暗号通信装置１００Ａにおけるものと同様であるので（図２〜図４参照）、その説明は省略する。
【００９８】
この図５の構成によれば、送信者側端末２において受信者側端末１から通信路３を介して送られてくる参照光が増幅されるものであり、送信者側端末１から受信者側端末２に送り返されるパルス光Ｐ２（参照光）の強度を上げることができ、これによりホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比を上げることができ、盗聴などの擾乱が検知し易くなる。また、ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比が従来と同じ状態を維持するのであれば、パルス光Ｐ２の増幅分だけ量子暗号通信の距離（通信路３の長さ）を伸ばすことができ、あるいはパルス光Ｐ２の増幅分だけ受信者側端末２の光源４、例えばレーザ光源の発光強度を抑えることができ、この光源４の寿命を伸ばすことができる。
【００９９】
なお、上述の図１に示す量子暗号通信装置１００Ａは受信者側端末２にパルス光Ｐ２（参照光）を増幅する増幅器１１を設けたものであり、一方、上述の図５に示す量子暗号通信装置１００Ｂは送信者側端末１にパルス光Ｐ２（参照光）を増幅する増幅器２９を設けたものであるが、これらの双方を備える量子暗号通信装置も構成可能であり、同様の作用効果を得ることができる。
【０１００】
次に、この発明のさらに他の実施の形態について説明する。図７は、他の実施の形態としての量子暗号通信装置１００Ｃの構成を示している。
【０１０１】
この量子暗号通信装置１００Ｃは、第２の通信端末としての送信者側端末３０と、第１の通信端末としての受信者側端末３１と、これら送信者側端末３０および受信者側端末３１を結ぶ例えば光ファイバで構成される通信路３２とを備えている。この量子暗号通信装置１００Ｃは、通信路３２を介して、送信者側端末３０から受信者側端末３１に向けて秘密情報を送信する。この秘密情報は、例えば共通鍵暗号方式において使用される共有秘密鍵などの秘密情報である。
【０１０２】
送信者側端末３０は、レーザ光源３３、 ビームスプリッタ３４、反射鏡３５、半波長板３６、可変減衰器３７、検出器および制御器３８、位相変調器３９、反射鏡４０、偏光ビームスプリッタ４１を有している。
【０１０３】
また、受信者側端末３１は、偏光素子４２、偏光ビームスプリッタ４３、ビームスプリッタ４４、検出器及び制御器４５、位相変調器４６、半波長板４７、反射鏡４８、無偏光ビームスプリッタ４９、増幅器５０、フォトダイオード５１，５２、増幅器及び電圧測定器５３、減算器５４を有している。
【０１０４】
この量子暗号通信装置１００Ｃは、送信者側端末３０から受信者側端末３１への一方向通信で、光の偏光を利用することで、参照光と信号光の制御を別の光路上で行う方式である。送信者側端末３０の同期信号は信号光が通過する光路上の可変減衰器３７から一部を取得し、受信者側端末３１では参照光が通過する光路上に新たにビームスプリッタ４４を設置し、同期信号用に一部使用する。
【０１０５】
以下、量子暗号を適用した通信処理の動作シーケンスに従って、各構成部における処理の詳細を説明する。
【０１０６】
送信者側端末３０のレーザ光源３３で発生するパルス光は、ビームスプリッタ３４において、信号光であるパルス光Ｐ１および参照光であるパルス光Ｐ２に分離される。そして、パルス光Ｐ１（信号光）は、第３の光路を通って偏光ビームスプリッタ４１に進む。この第３の光路には、反射鏡３５、半波長板３６、可変減衰器３７、位相変調器３９および反射鏡４０がこの順に配置されている。
【０１０７】
半波長板３６は、パルス光Ｐ１の偏光面を９０度だけ回転させる。可変減衰器３７は、パルス光Ｐ１の強度を減衰させる。この可変減衰器３７は、図１に示す量子暗号通信装置１００Ａにおける送信者側端末１の可変減衰器２２に相当するものであり、この可変減衰器３７における減衰量は、この送信者側端末３０から通信路３２に送出されるパルス光Ｐ１のパルスあたりの平均光子数が１個程度となるように設定される。
【０１０８】
一方、送信者側端末３０から受信者側端末３１へ戻っていくパルス光Ｐ２（参照光）のパルスあたりの平均光子数は、受信者側端末３１側のホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比が最適になるように選ぶ。典型的なパルス光Ｐ２の強度はパルスあたりの平均光子数が１０6個程度である。
【０１０９】
位相変調器３９は、図１に示す量子暗号通信装置１００Ａにおける送信者側端末１の位相変調器２１に相当するものであり、例えば、４つの量子状態を用いる量子暗号を行う場合には、０度（０ラジアン）、９０度（π／２ラジアン）、１８０度（πラジアン）、２７０度（３π／２ラジアン）の位相変調をパルス毎にランダムに加える。
【０１１０】
可変減衰器３７から減衰処理に伴って得られる漏れ光は検出器及び制御器３８に供給され、この検出器及び制御器３８でパルス光Ｐ１の到着が検出される。検出器及び制御器３８は、この検出出力に基づいて、位相変調器３９におけるパルス光Ｐ１（信号光）に対する位相変調の処理開始タイミングを制御する。これにより、位相変調器３９においては、パルス光Ｐ１（信号光）を構成する各パルスに正しいタイミングで位相変調処理を行うことができる。
【０１１１】
ビームスプリッタ３４で分離されるパルス光Ｐ２（参照光）は、上述した第３の光路より短い第４の光路を通って偏光ビームスプリッタ４１に進む。この偏光ビームスプリッタ４１は、パルス光Ｐ１（信号光）とパルス光Ｐ２（参照光）とを合成し、通信路３２に送出する。このパルス光Ｐ１，Ｐ２は互いに偏光面が直交しており、かつ、時間的に離れた状態となっている。この場合、偏光ビームスプリッタ４１は光送出部を構成している。
【０１１２】
送信者側端末３０から通信路３２に送出されたパルス光Ｐ１（信号光）およびパルス光Ｐ２（参照光）は受信者側端末３１に入射される。偏光素子４２は、通信路３２の受信者側端末３１側に設けられており、光ファイバ伝送中の偏光の乱れを補正する。通信路３２を介して送信者側端末３０から送られてくるパルス光Ｐ１，Ｐ２は、偏光ビームスプリッタ４３によりパルス光Ｐ１（信号光）およびパルス光Ｐ２（参照光）に分離される。
【０１１３】
パルス光Ｐ１（信号光）は、上述した送信者側端末３０の第４の光路に対応した光路長を持つ第２の光路を通って無偏光ビームスプリッタ４９に進む。一方、パルス光Ｐ２（参照光）は、上述した送信者側端末３０の第３の光路に対応した光路長を持つ第１の光路を通って無偏光ビームスプリッタ４９に進む。
【０１１４】
この第１の光路には、ビームスプリッタ４４、増幅器５０、位相変調器４６、半波長板４７および反射鏡４８がこの順に配置されている。ビームスプリッタ４４は、パルス光Ｐ２（参照光）を、増幅器５０に進むパルス光と検出器及び制御器４５に進むパルス光に分岐する。このビームスプリッタ４４の典型的な分岐比は９対１とされ、大部分のパルス光が増幅器５０側に進むように設定される。
【０１１５】
増幅器５０は、ビームスプリッタ４４で分岐されたパルス光Ｐ２（参照光）を増幅する。なお、この増幅器５０と位相変調器４６の順序は逆であってもよく、要は、増幅器５０は、パルス光Ｐ２が通る第１の光路に挿入されていればよい。
【０１１６】
検出器及び制御器４５は位相変調器４６を制御するほか、増幅器及び電圧測定器５３を制御する。検出器および制御器４５は、ビームスプリッタ４４で分岐されたパルス光の検出出力に基づいて、パルス光Ｐ２（参照光）の到着を知ることができ、位相変調器４６におけるパルス光Ｐ２（参照光）に対する位相変調の処理開始タイミングを制御する。これにより、位相変調器４６においては、パルス光Ｐ２（参照光）を構成する各パルスに対して正しいタイミングで位相変調の処理を行うことができる。
【０１１７】
位相変調器４６は、図１に示す量子暗号通信装置１００Ａにおける受信者側端末２の位相変調器７に相当するものであり、例えば４つの量子状態を用いる量子暗号の場合には、０度（０ラジアン）または９０度（π／２ラジアン）の位相変調をパルス毎にランダムに加える。
【０１１８】
半波長板４７は、パルス光Ｐ２（参照光）の偏光面を９０度だけ回転させる。上述したように、送信者側端末３０ではパルス光Ｐ１（信号光）は長い第３の光路を通りかつ半波長板３６で偏光面が９０度だけ回転させられると共にパルス光Ｐ２（参照光）は短い第４の光路を通り、また受信者側端末３１ではパルス光Ｐ１（信号光）は短い第２の光路を通ると共にパルス光Ｐ２（参照光）は長い第１の光路を通りかつ半波長板４７で偏光面が９０度だけ回転させられるため、無偏光ビームスプリッタ４９に入射されるパルス光Ｐ１，Ｐ２は、時間的に一致し、また偏光方向も一致したものとなる。
【０１１９】
無偏光ビームスプリッタ４９の２つの出力は、ホモダイン検出器へ入力される。つまり、無偏光ビームスプリッタ４９の一方の出力はホモダイン検出器を構成するフォトダイオード５２に入力され、その他方の出力は可変減衰器５０を介してホモダイン検出器を構成するフォトダイオード５１に入力される。
【０１２０】
そして、減算器５４によってこれらフォトダイオード５１，５２の出力の差信号が得られる。増幅器及び電圧測定器５３では、この差信号の増幅および電圧測定が行われる。この増幅器及び電圧測定器５３の出力がホモダイン検出器の検出情報であり、この検出情報から通信秘密情報、例えば秘密鍵を得ることができる。
【０１２１】
図７に示す量子暗号通信装置１００Ｃにおける端末３０，３１間の通信による秘密情報の共有シーケンスは、上述の図１に示す量子暗号通信装置１００Ａにおけるものと同様であるので（図２〜図４参照）、その説明は省略する。
【０１２２】
図７の構成によれば、受信者側端末３１において送信者側端末３０から通信路３２を介して送られてくるパルス光Ｐ２（参照光）が増幅されるものであり、ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比を上げることができ、盗聴などの擾乱が検知し易くなる。また、ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比が従来と同じ状態を維持するのであれば、パルス光Ｐ２の増幅分だけ量子暗号通信の距離（通信路３２の長さ）を伸ばすことができ、あるいはパルス光Ｐ２の増幅分だけ送信者側端末３０のレーザ光源３３の発光強度を抑えることができ、このレーザ光源３３の寿命を伸ばすことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
この発明は、ホモダイン検出におけるＳ／Ｎ比を上げ、盗聴などの擾乱を検知し易くするものであり、秘密鍵暗号方式における秘密鍵等の秘密情報を交換する場合等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】実施の形態としての量子暗号通信装置１００Ａの構成を示すブロック図である。
【図２】情報通信処理の説明を行うための図（１／３）である。
【図３】情報通信処理の説明を行うための図（２／３）である。
【図４】情報通信処理の説明を行うための図（３／３）である。
【図５】実施の形態としての量子暗号通信装置１００Ｂの構成を示すブロック図である。
【図６】増幅器の構成例を示すブロック図である。
【図７】実施の形態としての量子暗号通信装置１００Ｃの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１２５】
３０・・・送信者側端末、２，３１・・・受信者側端末、３，３２・・・通信路、４・・・光源、５・・・サーキュレータ、６，９，１９，３４，４４・・・ビームスプリッタ、７，２１，３９，４６・・・位相変調器、８，２０・・・遅延器、１０，４１，４３・・・偏光ビームスプリッタ、１１，２９，５０・・・増幅器、１２，２６・・・検出器、１５・・・ホモダイン検出器、１７，２８・・・コントローラ、２２，３７・・・可変減衰器、１８，２９・・・信号発信源、２３・・・光スイッチ、２４・・・ファラデーミラー、３３・・・レーザ光源、３５，４０，４８・・・反射鏡、３６，４７・・・半波長板、３８，４５・・・検出器及び制御器、４２・・・偏光素子、４９・・・無偏光ビームスプリッタ、５１，５２・・・フォトダイオード、５３・・・増幅器及び電圧測定器、５４・・・減算器、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ・・・量子暗号通信装置
【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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