(57)【要約】【課題】  効率的で安定した通信システムおよび監視制御方法を提供する。【解決手段】  誤り率ＱＢＥＲについてフレーム同期処理用閾値Ｑbit、位相補正処理用閾値Ｑphaseおよび盗聴検出用閾値ＱEveが設定されている。送信器から受信器へ量子鍵が配布されたとき、ＱＢＥＲの測定値がＱbitより悪化していればフレーム同期処理を実行し、Ｑphaseより悪化していれば位相補正処理およびフレーム同期処理を実行する。これら復旧処理をＮ回繰り返してもＱEveより改善しなければ、盗聴可能性有りと判断して処理を中断する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送路を介して第１通信器と第２通信器とが通信を行う通信システムの少なくとも１つの監視項目に基づいて前記通信システムを制御する方法において、
各監視項目について少なくとも１つの障害要因検出用閾値を設定し、
各監視項目の測定値と当該監視項目に設定された前記少なくとも１つの障害要因検出用閾値とを比較し、
前記比較結果にしたがって、検出された障害要因に対する復旧処理を実行する、
ことを特徴とする通信システムの監視制御方法。
【請求項２】
前記通信システムは、前記第１通信器と前記第２通信器との間で動作タイミングを同期させ、かつ、前記第１通信器に保持された第１データを前記第２通信器へ前記動作タイミングに従って送信し、前記第２通信器が受信した第２データに基づいて前記第１通信器と前記第２通信器との間で共有されるべき共有データを生成することを特徴とする請求項１に記載の監視制御方法。
【請求項３】
前記監視項目は、前記第１通信器に保持された前記第１データと前記第２通信器に保持された前記第２データとの一部を照合して計算される誤り率であることを特徴とする請求項２に記載の監視制御方法。
【請求項４】
前記監視項目は、前記第１通信器に保持された前記第１データと前記第２通信器に保持された前記第２データとの一部を照合して計算される誤り率の単位時間当たりの変化量であることを特徴とする請求項２に記載の監視制御方法。
【請求項５】
前記監視項目の測定値が第１障害要因検出用閾値を超えると、前記第１データと前記第２データとの間でビット対応を変更しながら、前記第１通信器に保持された前記第１データと前記第２通信器に保持された前記第２データとの一部を照合して計算される誤り率が最小となるビット対応を探索するフレーム同期処理を前記復旧処理として実行することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の監視制御方法。
【請求項６】
前記監視項目の測定値が第１障害要因検出用閾値を超えると、前記第１データと前記第２データとの間でビット対応を変更しながら、前記第１通信器に保持された前記第１データと前記第２通信器に保持された前記第２データとの一部を照合して計算される誤り率が前記第１障害要因検出用閾値を下回るビット対応を探索するフレーム同期処理を前記復旧処理として実行することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の監視制御方法。
【請求項７】
前記監視項目の測定値が前記第１障害要因検出用閾値以下で第２障害要因検出用閾値を超える場合には、前記第１通信器および前記第２通信器の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索するタイミング補正処理を前記復旧処理として実行することを特徴とする請求項５または６に記載の監視制御方法。
【請求項８】
前記監視項目の測定値が前記第１障害要因検出用閾値以下で第２障害要因検出用閾値を超える場合には、
前記第１通信器および前記第２通信器の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索するタイミング補正処理と、
前記第１データと前記第２データとの間でビット対応を変更しながら、前記第１通信器に保持された前記第１データと前記第２通信器に保持された前記第２データとの一部を照合して計算される誤り率が最小となるビット対応を探索するフレーム同期処理と、
を前記復旧処理として実行することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の監視制御方法。
【請求項９】
前記監視項目の測定値が前記第１障害要因検出用閾値以下で第２障害要因検出用閾値を超える場合には、
前記第１通信器および前記第２通信器の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索するタイミング補正処理と、
前記第１データと前記第２データとの間でビット対応を変更しながら、前記第１通信器に保持された前記第１データと前記第２通信器に保持された前記第２データとの一部を照合して計算される誤り率が前記第１障害要因検出用閾値を下回るビット対応を探索するフレーム同期処理と、
を前記復旧処理として実行することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の監視制御方法。
【請求項１０】
前記復旧処理を所定回数連続して実行しても、前記監視項目の測定値が第３障害要因検出用閾値を上回る場合には、前記共有データ生成処理を中断する、ことを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の監視制御方法。
【請求項１１】
他の監視項目は、前記第２通信器が受信した前記第２データの単位時間当たりのデータ量（生成速度）であることを特徴とする請求項３に記載の監視制御方法。
【請求項１２】
前記生成速度の測定値が第１障害要因検出用閾値を下回る場合には、
前記第１通信器および前記第２通信器の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索するタイミング補正処理と、
前記第１データと前記第２データとの間でビット対応を変更しながら、前記誤り率が最小となるビット対応を探索するフレーム同期処理と、
を前記復旧処理として実行することを特徴とする請求項１１に記載の監視制御方法。
【請求項１３】
前記生成速度の測定値が第１障害要因検出用閾値を下回る場合には、
前記第１通信器および前記第２通信器の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索するタイミング補正処理と、
前記第１データと前記第２データとの間でビット対応を変更しながら、前記誤り率が第２障害要因検出用閾値を下回るビット対応を探索するフレーム同期処理と、
を前記復旧処理として実行することを特徴とする請求項１１に記載の監視制御方法。
【請求項１４】
前記生成速度の測定値が前記第１障害要因検出用閾値を所定回数連続して下回る場合には前記共有データ生成処理を中断することを特徴とする請求項１２または１３に記載の監視制御方法。
【請求項１５】
前記共有データ生成処理を中断する時に盗聴の可能性があることを示すアラームをあげることを特徴とする請求項１０または１４に記載の監視制御方法。
【請求項１６】
伝送路を介して第１通信器と第２通信器とが通信を行う通信システムにおいて、
少なくとも１つの監視項目について少なくとも１つの障害要因検出用閾値を設定する設定手段と、
各監視項目の測定値と当該監視項目に設定された前記少なくとも１つの障害要因検出用閾値とを比較する比較手段と、
前記比較手段の比較結果にしたがって、検出された障害要因に対する復旧処理を実行する復旧手段と、
を有することを特徴とする通信システム。
【請求項１７】
前記第１通信器と前記第２通信器との間で動作タイミングを同期させる同期手段と、
前記第１通信器に保持された第１データを前記第２通信器へ前記動作タイミングに従って送信し、前記第２通信器が受信した第２データに基づいて前記第１通信器と前記第２通信器との間で共有されるべき共有データを生成する制御手段と、
を更に有することを特徴とする請求項１５に記載の通信システム。
【請求項１８】
送信器と受信器とが光伝送路を介して接続され、複数の通信チャネルにより通信を行う通信システムにおいて、
前記送信器は、
第１データおよび第２データを格納する第１格納手段と、
前記第１および第２データに従って光信号を変調する第１変調手段と、
変調された光信号を一の通信チャネルを通して前記受信器へ送信する第１通信手段と、
前記受信器との間で他の通信チャネルを通してデータ通信を行うための第１送受信手段と、
前記第１変調手段の動作タイミングを制御する第１制御手段と、
を有し、
前記受信器は、
第３データを格納する第２格納手段と、
前記一の通信チャネルを通して前記送信器から光信号を受信する第２通信手段と、
前記受信した光信号を前記第３データに従って変調する第２変調手段と、
前記受信した光信号と前記第２変調手段により変調された光信号とに基づいて第４データを検出する光検出手段と、
前記第４データを格納する第３格納手段と、
前記送信器との間で前記他の通信チャネルを通してデータ通信を行うための第２送受信手段と、
前記第２変調手段および前記光検出手段の動作タイミングを制御する第２制御手段と、
を有し、
前記送信器および前記受信器の少なくとも一方は、さらに、
前記第１〜第４データに基づいて少なくとも１つの監視項目に関する測定を行い、各監視項目に対応する少なくとも１つの障害要因検出用閾値と比較することで障害要因に対する復旧制御を行う第３制御手段
を有することを特徴とする通信システム。
【請求項１９】
前記受信器には光信号を生成する光源が設けられ、前記光信号が前記送信器へ前記一の通信チャネルを通して送信され、前記送信器の前記第１変調手段により変調されて前記受信器へ前記一の通信チャネルを通して折り返されることを特徴とする請求項１８に記載の通信システム。
【請求項２０】
前記送信器には光信号を生成する光源が設けられ、前記光信号が前記第１変調手段により変調され、前記一の通信チャネルを通して前記受信器へ送信され、前記受信器により受信された光信号が前記第２変調手段により変調されることを特徴とする請求項１８に記載の通信システム。
【請求項２１】
前記第１制御手段と前記第２制御手段とは基準クロックに従って動作タイミングの同期をとることを特徴とする請求項１８ないし２０のいずれかに記載の通信システム。
【請求項２２】
前記監視項目は、前記第４データの一部に対応する前記第２データと前記第３データとが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合して計算される誤り率であることを特徴とする請求項１８に記載の通信システム。
【請求項２３】
前記監視項目は、前記第４データの一部に対応する前記第２データと前記第３データとが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合して計算される誤り率の単位時間当たりの変化量であることを特徴とする請求項１８に記載の通信システム。
【請求項２４】
前記第３制御手段は、
前記監視項目の測定値が第１障害要因検出用閾値を超えると、
前記第１変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記第２変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量と前記装置内ビットずれ量とを順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が最小となる前記装置間ビットずれ量および前記装置内ビットずれ量を確定することでフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項２２または２３に記載の通信システム。
【請求項２５】
前記第３制御手段は、
前記監視項目の測定値が第１障害要因検出用閾値を超えると、
前記第１変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記第２変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量と前記装置内ビットずれ量とを順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が前記第１障害要因検出用閾値を下回る前記装置間ビットずれ量および前記装置内ビットずれ量を確定することでフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項２２または２３に記載の通信システム。
【請求項２６】
前記第３制御手段は、
前記監視項目の測定値が第１障害要因検出用閾値を超えると、
前記第１変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記第２変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が最小となる前記装置間ビットずれ量を確定し、
前記監視項目の測定値が前記第１障害要因検出用閾値以下で第２障害要因検出用閾値を超える場合には、
仮設定された前記装置内ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が最小となる前記装置内ビットずれ量を確定し、
前記確定された装置間および装置内ビットずれ量を用いてフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項２２または２３に記載の通信システム。
【請求項２７】
前記第３制御手段は、
前記監視項目の測定値が第１障害要因検出用閾値を超えると、
前記第１変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記第２変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が前記第１障害要因検出用閾値を下回る前記装置間ビットずれ量を確定し、
前記監視項目の測定値が前記第１障害要因検出用閾値以下で第２障害要因検出用閾値を超える場合には、
仮設定された前記装置内ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が前記第２障害要因検出用閾値を下回る前記装置内ビットずれ量を確定し、
前記確定された装置間および装置内ビットずれ量を用いてフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項２２または２３に記載の通信システム。
【請求項２８】
前記第３制御手段は、前記監視項目の測定値が前記第２障害要因検出用閾値以下で第３障害要因検出用閾値を超える場合には、前記第１制御手段および前記第２制御手段の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索することでタイミングを復旧することを特徴とする請求項２６または２７に記載の通信システム。
【請求項２９】
前記第３制御手段は、前記監視項目の測定値が前記第２障害要因検出用閾値以下で第３障害要因検出用閾値を超える場合にはタイミング補正処理およびフレーム同期処理を実行し、
前記タイミング補正処理は、前記第１制御手段および前記第２制御手段の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索し、
前記フレーム同期処理は、
前記第１変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記第２変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量と前記装置内ビットずれ量とを順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が最小となる前記装置間ビットずれ量および前記装置内ビットずれ量を確定することでフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項２６または２７に記載の通信システム。
【請求項３０】
前記第３制御手段は、前記監視項目の測定値が前記第２障害要因検出用閾値以下で第３障害要因検出用閾値を超える場合にはタイミング補正処理およびフレーム同期処理を実行し、
前記タイミング補正処理は、前記第１制御手段および前記第２制御手段の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索し、
前記フレーム同期処理は、
前記第１変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記第２変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量と前記装置内ビットずれ量とを順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が前記第１障害要因検出用閾値を下回る前記装置間ビットずれ量および前記装置内ビットずれ量を確定することでフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項２６または２７に記載の通信システム。
【請求項３１】
前記第３制御手段は、前記監視項目の測定値が前記第２障害要因検出用閾値以下で第３障害要因検出用閾値を超える場合にはタイミング補正処理およびフレーム同期処理を実行し、
前記タイミング補正処理は、前記第１制御手段および前記第２制御手段の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索し、
前記フレーム同期処理は、
前記第１変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記第２変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が最小となる前記装置間ビットずれ量を確定し、
前記監視項目の測定値が前記第１障害要因検出用閾値以下で第２障害要因検出用閾値を超える場合には、
仮設定された前記装置内ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が最小となる前記装置内ビットずれ量を確定し、
前記確定された装置間および装置内ビットずれ量を用いてフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項２６または２７に記載の通信システム。
【請求項３２】
前記第３制御手段は、前記監視項目の測定値が前記第２障害要因検出用閾値以下で第３障害要因検出用閾値を超える場合にはタイミング補正処理およびフレーム同期処理を実行し、
前記タイミング補正処理は、前記第１制御手段および前記第２制御手段の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索し、
前記フレーム同期処理は、
前記第１変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記第２変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が前記第１障害要因検出用閾値を下回る前記装置間ビットずれ量を確定し、
前記監視項目の測定値が前記第１障害要因検出用閾値以下で第２障害要因検出用閾値を超える場合には、
仮設定された前記装置内ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が前記第２障害要因検出用閾値を下回る前記装置内ビットずれ量を確定し、
前記確定された装置間および装置内ビットずれ量を用いてフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項２６または２７に記載の通信システム。
【請求項３３】
前記復旧処理を所定回数連続して実行しても、前記監視項目の測定値が前記第１障害要因検出用閾値より小さく前記第３障害要因検出用閾値より大きい第４障害要因検出用閾値を上回る場合には、前記共有データ生成処理を中断する、ことを特徴とする請求項２７ないし３１のいずれかに記載の通信システム。
【請求項３４】
他の監視項目は、前記第４データの単位時間当たりのデータ量（生成速度）であることを特徴とする請求項２２に記載の通信システム。
【請求項３５】
前記生成速度の測定値が第１障害要因検出用閾値を下回る場合には、タイミング補正処理およびフレーム同期処理を前記復旧処理として実行し、
前記タイミング補正処理は、前記第１制御手段および前記第２制御手段の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら、前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索し、
前記フレーム同期処理は、
前記第１変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記第２変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量と前記装置内ビットずれ量とを順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が最小となる前記装置間ビットずれ量および前記装置内ビットずれ量を確定することでフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項３４に記載の通信システム。
【請求項３６】
前記生成速度の測定値が第１障害要因検出用閾値を下回る場合には、タイミング補正処理およびフレーム同期処理を前記復旧処理として実行し、
前記タイミング補正処理は、前記第１制御手段および前記第２制御手段の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索し、
前記フレーム同期処理は、
前記第１変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記第２変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量と前記装置内ビットずれ量とを順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が第２障害要因検出用閾値を下回る前記装置間ビットずれ量および前記装置内ビットずれ量を確定することでフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項３４に記載の通信システム。
【請求項３７】
前記生成速度の測定値が第１障害要因検出用閾値を下回る場合には、タイミング補正処理およびフレーム同期処理を前記復旧処理として実行し、
前記タイミング補正処理は、前記第１制御手段および前記第２制御手段の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索し、
前記フレーム同期処理は、
前記誤り率が第２障害要因検出用閾値を超えると、
前記第１変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記第２変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が最小となる前記装置間ビットずれ量を確定し、
前記誤り率が前記第２障害要因検出用閾値以下で第３障害要因検出用閾値を超える場合には、
仮設定された前記装置内ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が最小となる前記装置内ビットずれ量を確定し、
前記確定された装置間および装置内ビットずれ量を用いてフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項３４に記載の通信システム。
【請求項３８】
前記生成速度の測定値が第１障害要因検出用閾値を下回る場合には、タイミング補正処理およびフレーム同期処理を前記復旧処理として実行し、
前記タイミング補正処理は、前記第１制御手段および前記第２制御手段の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索し、
前記フレーム同期処理は、
前記誤り率が第２障害要因検出用閾値を超えると、
前記第１変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記第２変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が前記第２障害要因検出用閾値を下回る前記装置間ビットずれ量を確定し、
前記誤り率が前記第２障害要因検出用閾値以下で第３障害要因検出用閾値を超える場合には、
仮設定された前記装置内ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が第３障害要因検出用閾値を下回る前記装置内ビットずれ量を確定し、
前記確定された装置間および装置内ビットずれ量を用いてフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項３４に記載の通信システム。
【請求項３９】
前記生成速度の測定値が前記第１障害要因検出用閾値を所定回数連続して下回る場合には前記共有データ生成処理を中断することを特徴とする請求項３５ないし３８のいずれかに記載の通信システム。
【請求項４０】
前記共有データ生成処理を中断する時に盗聴の可能性があることを示すアラームをあげることを特徴とする請求項３３または３９に記載の通信システム。
【請求項４１】
前記監視項目が誤り率である場合、前記第１障害要因検出用閾値は３０〜６０％、前記第２障害要因検出用閾値は１５〜３０％であることを特徴とする請求項２６ないし３３のいずれかに記載の通信システム。
【請求項４２】
受信器と光伝送路を介して接続され、複数の通信チャネルにより通信を行う送信器において、
第１データおよび第２データを格納する第１格納手段と、
前記第１および第２データに従って光信号を変調する第１変調手段と、
変調された光信号を一の通信チャネルを通して前記受信器へ送信する第１通信手段と、
前記受信器との間で他の通信チャネルを通してデータ通信を行うための第１送受信手段と、
前記受信器との間で前記他の通信チャネルを通してデータ通信を行いながら、前記受信器における変調データおよび受信データと前記第１データおよび前記第２データとに基づいて、少なくとも１つの監視項目に関する測定を行い、各監視項目に対応する少なくとも１つの障害要因検出用閾値と比較することで障害要因に対する復旧制御を行う制御手段と、
を有することを特徴とする送信器。
【請求項４３】
送信器と光伝送路を介して接続され、複数の通信チャネルにより通信を行う受信器において、
第１データを格納する第１格納手段と、
一の通信チャネルを通して前記送信器から光信号を受信する通信手段と、
前記受信した光信号を前記第１データに従って変調する変調手段と、
前記受信した光信号と前記変調手段により変調された光信号とに基づいて第２データを検出する光検出手段と、
前記第２データを格納する第２格納手段と、
前記送信器との間で他の通信チャネルを通してデータ通信を行うための送受信手段と、
前記送信器との間で前記他の通信チャネルを通してデータ通信を行いながら、前記送信器における変調の深さを決定する第３データおよび第４データと前記第１データおよび前記第２データとに基づいて、少なくとも１つの監視項目に関する測定を行い、各監視項目に対応する少なくとも１つの障害要因検出用閾値と比較することで障害要因に対する復旧制御を行う制御手段と、
を有することを特徴とする受信器。
【請求項４４】
送信器と受信器とが光伝送路を介して接続され、複数の通信チャネルにより通信を行う方法において、
前記送信器は、
第１データおよび第２データを格納し、
制御可能な動作タイミングに従って前記第１および第２データに従って光信号を変調し、
変調された光信号を一の通信チャネルを通して前記受信器へ送信し、
前記受信器は、
第３データを格納し、
前記一の通信チャネルを通して前記送信器から光信号を受信し、
制御可能な動作タイミングに従って前記受信した光信号を前記第３データに従って変調し、
前記受信した光信号と前記第２変調手段により変調された光信号とに基づいて第４データを検出し、
前記第４データを格納し、
前記送信器との間で他の通信チャネルを通してデータ通信を行いながら、前記第１〜第４データに基づいて少なくとも１つの監視項目に関する測定を行い、
各監視項目に対応する少なくとも１つの障害要因検出用閾値と比較することで障害要因に対する復旧制御を行う、
ことを特徴とする通信方法。
【請求項４５】
前記監視項目は、前記第４データの一部に対応する前記第２データと前記第３データとが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合して計算される誤り率であることを特徴とする請求項４４に記載の通信方法。
【請求項４６】
前記監視項目は、前記第４データの一部に対応する前記第２データと前記第３データとが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合して計算される誤り率の単位時間当たりの変化量であることを特徴とする請求項４４に記載の通信方法。
【請求項４７】
前記復旧制御は、
前記監視項目の測定値が第１障害要因検出用閾値を超えると、
前記送信器と前記受信器との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記受信器内部でのビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量と前記装置内ビットずれ量とを順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が最小となる前記装置間ビットずれ量および前記装置内ビットずれ量を確定することでフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項４５または４６に記載の通信方法。
【請求項４８】
前記復旧制御は、
前記監視項目の測定値が第１障害要因検出用閾値を超えると、
前記送信器と前記受信器との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記受信器内部でのビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量と前記装置内ビットずれ量とを順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が前記第１障害要因検出用閾値を下回る前記装置間ビットずれ量および前記装置内ビットずれ量を確定することでフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項４５または４６に記載の通信方法。
【請求項４９】
前記復旧制御は、
前記監視項目の測定値が第１障害要因検出用閾値を超えると、
前記送信器と前記受信器との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記受信器内部でのビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が最小となる前記装置間ビットずれ量を確定し、
前記監視項目の測定値が前記第１障害要因検出用閾値以下で第２障害要因検出用閾値を超える場合には、
仮設定された前記装置内ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が最小となる前記装置内ビットずれ量を確定し、
前記確定された装置間および装置内ビットずれ量を用いてフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項４５または４６に記載の通信方法。
【請求項５０】
前記復旧制御は、
前記監視項目の測定値が第１障害要因検出用閾値を超えると、
前記送信器と前記受信器との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記受信器内部でのビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、
仮設定された前記装置間ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が前記第１障害要因検出用閾値を下回る前記装置間ビットずれ量を確定し、
前記監視項目の測定値が前記第１障害要因検出用閾値以下で第２障害要因検出用閾値を超える場合には、
仮設定された前記装置内ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、
前記照合結果により誤り率が前記第２障害要因検出用閾値を下回る前記装置内ビットずれ量を確定し、
前記確定された装置間および装置内ビットずれ量を用いてフレーム同期を復旧する、
ことを特徴とする請求項４５または４６に記載の通信方法。
【請求項５１】
コンピュータに、伝送路を介して第１通信器と第２通信器とが通信を行う通信システムの少なくとも１つの監視項目に基づいて前記通信システムを制御させるためのプログラムにおいて、
各監視項目について少なくとも１つの障害要因検出用閾値を設定するステップと、
各監視項目の測定値と当該監視項目に設定された前記少なくとも１つの障害要因検出用閾値とを比較するステップと、
前記比較結果にしたがって、検出された障害要因に対する復旧処理を実行するステップと、
を有することを特徴とする通信システムの監視制御プログラム。
【請求項５２】
コンピュータに、伝送路を介して受信器と通信を行う送信器での少なくとも１つの監視項目に基づいた監視制御を実行させるためのプログラムにおいて、
前記送信器は、
第１データおよび第２データを格納する第１格納手段と、
前記第１および第２データに従って光信号を変調する第１変調手段と、
変調された光信号を一の通信チャネルを通して前記受信器へ送信する第１通信手段と、
前記受信器との間で他の通信チャネルを通してデータ通信を行うための第１送受信手段と、を有し、
前記プログラムは、
各監視項目について少なくとも１つの障害要因検出用閾値を設定するステップと、
前記受信器との間で前記他の通信チャネルを通してデータ通信を行いながら、前記受信器における変調データおよび受信データと前記第１データおよび前記第２データとに基づいて、少なくとも１つの監視項目に関する測定を行うステップと、
各監視項目の測定値と当該監視項目に設定された前記少なくとも１つの障害要因検出用閾値とを比較するステップと、
前記比較結果にしたがって、検出された障害要因に対する復旧処理を実行するステップと、
を有することを特徴とする送信器の監視制御プログラム。
【請求項５３】
コンピュータに、伝送路を介して送信器と通信を行う受信器での少なくとも１つの監視項目に基づいた監視制御を実行させるためのプログラムにおいて、
前記受信器は、
第１データを格納する第１格納手段と、
一の通信チャネルを通して前記送信器から光信号を受信する通信手段と、
前記受信した光信号を前記第１データに従って変調する変調手段と、
前記受信した光信号と前記変調手段により変調された光信号とに基づいて第２データを検出する光検出手段と、
前記第２データを格納する第２格納手段と、
前記送信器との間で他の通信チャネルを通してデータ通信を行うための送受信手段と、を有し、
前記プログラムは、
各監視項目について少なくとも１つの障害要因検出用閾値を設定するステップと、
前記送信器との間で前記他の通信チャネルを通してデータ通信を行いながら、前記送信器における変調の深さを決定する第３データおよび第４データと前記第１データおよび前記第２データとに基づいて、少なくとも１つの監視項目に関する測定を行うステップと、
各監視項目の測定値と当該監視項目に設定された前記少なくとも１つの障害要因検出用閾値とを比較するステップと、
前記比較結果にしたがって、検出された障害要因に対する復旧処理を実行するステップと、
を有することを特徴とする受信器の監視制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は通信システムにおける通信品質の劣化を監視し、劣化を検出したときにその復旧を図る方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
急激な成長を続けるインターネットは、便利である反面、その安全性に大きな不安を抱えており、通信の秘密保持の為に暗号技術の必要性が高まっている。現在一般的に用いられている暗号方式は、ＤＥＳ(Data Encryption Standard)やTriple ＤＥＳといった秘密鍵暗号と、ＲＳＡ(Rivest Shamir Adleman)や楕円曲線暗号の様な公開鍵暗号に分類される。しかしこれらは「計算の複雑性」を元にその安全性を保証する暗号通信方法であり、膨大な計算量や暗号解読アルゴリズムの出現によって解読されてしまう危険性を常に孕んでいる。こういった背景の下、量子暗号鍵配布システム(ＱＫＤ)は、「絶対に盗聴されない」暗号鍵配布技術として注目されている。
【０００３】
ＱＫＤでは一般に通信媒体として光子を使用し、その偏光、位相等の量子状態に情報を載せて伝送を行う。伝送路の盗聴者は伝送中の光子をタッピングする等して情報を盗み見るが、Heisenbergの不確定性原理により、１度観測されてしまった光子を完全に観測前の量子状態に戻すことは不可能となり、このことによって正規の受信者が検出する受信データの統計値に変化が生じる。この変化を検出することにより受信者は伝送路における盗聴の有無を検出することができる。
【０００４】
光子の位相を利用した量子暗号鍵配布方法の場合、送信者および受信者（以下、通例に従ってそれぞれ「Ａｌｉｃｅ」および「Ｂｏｂ」称する。）で光学干渉計を組織し、各々の光子にＡｌｉｃｅおよびＢｏｂでそれぞれランダムに位相変調を施す。この変調位相深さの差によって出力０あるいは１が得られ、その後、出力データを測定したときの条件の一部分をＡｌｉｃｅとＢｏｂとで照合することによって最終的にＡｌｉｃｅ−Ｂｏｂ間で同一ビット列を共有することができる。次に、ＢＢ８４プロトコルと呼ばれる最も代表的な量子暗号鍵配送アルゴリズムについて簡単に説明する（非特許文献１参照）。
【０００５】
図１７はＢＢ８４プロトコルによる量子暗号鍵配布方法の概念を示す模式図である。ここではＡｌｉｃｅ１４１とＢｏｂ１４３とが光伝送路１４２で接続されているものとする。
【０００６】
この方法では、Ａｌｉｃｅ１４１が乱数源を２つ持ち、片側(乱数１)で０／１の暗号鍵データを表し、もう一方(乱数２)で乱数１の情報をコーディングする方法を決定する。光子の位相を利用した量子暗号鍵配布方法では、位相０が暗号鍵“０”、位相πが暗号鍵“１”の組を表すコーディングセット（以下、「＋基底」と称する。）と、位相π／２が暗号鍵“０”、位相３π／２が暗号鍵“１”を表すコーディングセット（以下、「×基底」と称する。）と、の２組の基底を乱数２で選択する。つまり１つの光子に対して、０、π／２、π、３π／２の４通りの変調をランダムに施してＢｏｂへと送信する。
【０００７】
一方、Ｂｏｂ１４３では基底に対応する乱数源（乱数３）を持ち、Ａｌｉｃｅ１４１より送られてきた光子に対してデコードを行う。乱数３の値が“０”である場合、光子に対して位相０（＋基底）の変調を、“１”である時には位相π／２（×基底）の変調を施す。ここで光学干渉計出力として得られた乱数を乱数４とする。
【０００８】
Ａｌｉｃｅ／Ｂｏｂ両者が施した変調の基底が同一である場合（乱数２＝乱数３）、乱数１の値をＢｏｂは正しく検出することができ（乱数１＝乱数４）、異なる場合（乱数２≠乱数３）には乱数１の値に依らずＢｏｂは乱数４として０／１の値をランダムに得る。乱数１／２／３は共に１ビット毎に変化する乱数であるから、基底が一致する確率と不一致である確率は共に５０％となるが、後段の基底照合(Basis Reconciliation)によって基底が不一致となるビットを削除するから、Ａｌｉｃｅ１４１とＢｏｂ１４３は乱数１に対応する０／１ビット列を共有することができる。
【０００９】
しかしながら、上記のようにして共有したビット列には伝送路１４２や受信器に起因する誤りが含まれており、この誤りを訂正する誤り訂正処理(Error Correction)が必要となる。加えて伝送路途中に存在する盗聴者が光子情報を覗き見た場合にも共有ビット列に誤りが発生する。したがって、最終的に使用する暗号鍵を共有するためには、誤りを訂正する誤り訂正処理だけでなく、誤りの頻度（誤り率）に基づいて、盗聴されたと想定し得る情報量を削減する秘匿増強処理(Privacy Amplification)が必要となる。なお「盗聴されたと想定し得る情報量」を推定する方法は、非特許文献２および３に記載されている。
【００１０】
図１８は、一般的な量子暗号鍵生成の流れを示すフローチャートである。Ａｌｉｃｅより送られた暗号鍵の元乱数（鍵の素）は、量子暗号鍵配布（単一光子伝送）Ｓ１によって大部分の情報量が失われる。この段階でＡｌｉｃｅとＢｏｂで共有されている鍵を生鍵(Raw Key)と呼び、上述した基底照合Ｓ２を行った後で半減した暗号鍵を選別鍵(Sifted Key)と呼ぶ。この後、量子鍵配布段階で混入した誤りを訂正する誤り訂正Ｓ３過程と、盗聴者に漏れていると想定され得る情報量を削ぎ落とす秘匿増強Ｓ４とを経て、残りが実際に暗号鍵として使用される最終鍵となる。
【００１１】
【非特許文献１】"IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p.175", Bennett, Brassard
【非特許文献２】"Estimates for practical quantum cryptography", Physical Review A, Vol.59, No.5, pp.3301, N. Lutkenhaus
【非特許文献３】"Eavesdropping on practical quantum cryptography" quantum-ph / 0211155, M. Williamson
【非特許文献４】"Automated 'plug & play' quantum key distribution", Electronics Letters, Vol.34, No.22, pp2116-2117, G. Ribordy
【非特許文献５】"Balanced, gated-mode photon detector for quantum-bit discrimination at 1550nm" Optics letters, vol. 27 (2002) pp1827-1829, A. Tomita
【非特許文献６】"High-Speed QKD System Synchronized by Automatic Phase-Alignment Mechanism", OFC2005, OWI4, W. Maeda
【非特許文献７】"Temperature independent QKD system using alternative-shifted phase modulation method", ECOC2004, Tu4.5.3, A. Tanaka
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述した量子暗号鍵配布を現実世界で実現しようとすると、様々な原因によって上記誤り率が上昇することがある。従来、誤り率の上昇は盗聴行為の存在を意味したので、誤り率が上昇すると、その都度、暗号鍵の生成を中断する必要があった。
【００１３】
たとえば、環境温度の変化によって光伝送路や電気回路での遅延変動が生じ、光子が位相変調器を通過するタイミングや光子検出器に到達するタイミングと、クロック信号によるこれらデバイスの駆動タイミングとの間にずれが発生する。これによって上記誤り率が上昇すると、結果的に暗号鍵生成が行えなくなる。以下、光子の通過／到達タイミングとクロックタイミングとのずれを「位相ずれ」、位相ずれに対して両者のタイミングを正しく合わせる処理を「位相補正処理」と称す。
【００１４】
また、単一光子に情報を載せて伝送するので伝送路途中で消失するビットが多く、Ａｌｉｃｅ−Ｂｏｂ間でのビット対応の誤認識が生じやすい。この誤認識によっても誤り率が劣化し、暗号鍵の生成が行えなくなる。以下、送信側と受信側との間で情報ビットの同期が取れていること、すなわちビット対応の正しい認識が成立している状態を「フレーム同期」、ビット対応が誤認識されている状態を「フレーム同期ずれ」、フレーム同期ずれをフレーム同期状態に正しく合わせる処理を「フレーム同期処理」と称す。
【００１５】
図１９は従来の監視制御方法の一例を示すフローチャートである。図１９に示すように、従来では、盗聴検出用のしきい値ＱEveを設定しておき、誤り率ＱＢＥＲがＱEve以上になると、盗聴可能性有りと判断されて暗号鍵の生成が中断される。そして、システムの性能劣化に対して復旧処理を施し劣化前の性能に戻す。以下、この処理を「システム復旧」と称す。
【００１６】
以上のように暗号鍵生成速度の劣化要因は複数あるが、従来の量子暗号鍵配布技術において誤り率の劣化は一律に盗聴行為の存在を意味しているので、図１９に示すように誤り率上昇を検出すると暗号鍵の生成を中断し、システム復旧を行う必要があった。すなわち、暗号鍵生成中に障害が検出されると、人手により障害原因の解析を行い、安全に鍵が生成できることを確認した後で、最初から装置の全設定を行う、という暗号鍵生成再起動方法を採らざるを得なくなり、効率的な暗号鍵生成が行えなかった。
【００１７】
そこで、本発明者等は、通信システムの性能劣化には種々の要因が存在するが、それぞれの要因は一律に取り扱われるべきものではなく、複数の劣化要因がそれぞれ特徴的な通信劣化現象として現れることに着目した。
【００１８】
この観点から従来技術を再検討すると、従来技術では、劣化要因を切り分けるという発想が無い。このために、従来の監視制御方法を適用した量子暗号鍵配布システムでは、上述した環境温度の変化に伴う遅延変動による誤り率劣化、単一光子伝送に不可避のビット消失に起因する誤り率劣化、部品故障による誤り率劣化、および、盗聴行為による誤り率劣化をすべて盗聴行為によるものと認識して暗号鍵生成を中断してしまう。
【００１９】
本発明の目的は、このような従来の課題を解決し、効率的で安定した通信システムおよび効率的で安定した動作を実現するシステム監視制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明によれば、誤り率、その変動量あるいは共有データ生成速度などの監視項目と各監視項目に対する障害要因検出用閾値とを設定しておき、監視項目の測定値と閾値とに基づいて障害要因を特定し障害要因に応じて異なる復旧を施す。
【００２１】
本発明による監視制御方法は、伝送路を介して第１通信器と第２通信器とが通信を行う通信システムおいて、各監視項目について少なくとも１つの障害要因検出用閾値を設定し、各監視項目の測定値と当該監視項目に設定された前記少なくとも１つの障害要因検出用閾値とを比較し、前記比較結果にしたがって、検出された障害要因に対する復旧処理を実行することを特徴とする。
【００２２】
前記通信システムは、前記第１通信器と前記第２通信器との間で動作タイミングを同期させ、かつ、前記第１通信器に保持された第１データを前記第２通信器へ前記動作タイミングに従って送信し、前記第２通信器が受信した第２データに基づいて前記第１通信器と前記第２通信器との間で共有されるべき共有データを生成するシステムであることが望ましい。前記監視項目としては、前記第１通信器に保持された前記第１データと前記第２通信器に保持された前記第２データとの一部を照合して計算される誤り率あるいはその変化量を用いることができる。また、その他の監視項目として共有データの生成速度を用いることができる。
【００２３】
前記監視項目の測定値が第１障害要因検出用閾値を超えると、前記第１データと前記第２データとの間でビット対応を変更しながら、前記第１通信器に保持された前記第１データと前記第２通信器に保持された前記第２データとの一部を照合して計算される誤り率が最小となるビット対応、あるいは、前記第１障害要因検出用閾値を下回るビット対応を探索するフレーム同期処理を前記復旧処理として実行する。
【００２４】
前記監視項目の測定値が前記第１障害要因検出用閾値以下で第２障害要因検出用閾値を超える場合には、前記第１通信器および前記第２通信器の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索するタイミング補正処理を前記復旧処理として実行する。その際、さらにフレーム同期処理を実行するのが望ましい。ここで「タイミング補正処理」は、本発明の実施例によれば「位相補正処理」である。
【００２５】
前記復旧処理を所定回数連続して実行しても、前記監視項目の測定値が第３障害要因検出用閾値より改善しない場合には、前記共有データ生成処理を中断する。その際、盗聴の可能性があることを示すアラームを生成することが望ましい。
【００２６】
本発明の他の側面によれば、送信器と受信器とが光伝送路を介して接続され、複数の通信チャネルにより通信を行う通信システムにおいて、前記送信器は、第１データおよび第２データを格納する第１格納手段と、前記第１および第２データに従って光信号を変調する第１変調手段と、変調された光信号を一の通信チャネルを通して前記受信器へ送信する第１通信手段と、前記受信器との間で他の通信チャネルを通してデータ通信を行うための第１送受信手段と、前記第１変調手段の動作タイミングを制御する第１制御手段と、を有する。また、前記受信器は、第３データを格納する第２格納手段と、前記一の通信チャネルを通して前記送信器から光信号を受信する第２通信手段と、前記受信した光信号を前記第３データに従って変調する第２変調手段と、前記受信した光信号と前記第２変調手段により変調された光信号とに基づいて第４データを検出する光検出手段と、前記第４データを格納する第３格納手段と、前記送信器との間で前記他の通信チャネルを通してデータ通信を行うための第２送受信手段と、前記第２変調手段および前記光検出手段の動作タイミングを制御する第２制御手段と、を有する。さらに、送信器および受信器の少なくとも一方は、前記第１〜第４データに基づいて少なくとも１つの監視項目に関する測定を行い、各監視項目に対応する少なくとも１つの障害要因検出用閾値と比較することで障害要因に対する復旧制御を行う第３制御手段を有する。
【００２７】
前記通信システムは、往復伝送型でも一方向伝送型でもよい。また、前記第１制御手段と前記第２制御手段とは基準クロックに従って動作タイミングの同期をとる。
【００２８】
前記第３制御手段は、前記監視項目の測定値が第１障害要因検出用閾値を超えると、前記第１変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記第２変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、仮設定された前記装置間ビットずれ量と前記装置内ビットずれ量とを順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、前記照合結果により誤り率が最小となる、あるいは、前記第１障害要因検出用閾値を下回る前記装置間ビットずれ量および前記装置内ビットずれ量を確定することでフレーム同期を復旧する、ことを特徴とする。
【００２９】
望ましくは、前記第３制御手段は、前記監視項目の測定値が第１障害要因検出用閾値を超えると、前記第１変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置間ビットずれ量と、前記第２変調手段と前記光検出手段との間のビット対応のずれを示す装置内ビットずれ量と、をそれぞれ仮設定し、仮設定された前記装置間ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、前記照合結果により誤り率が最小となる（あるいは前記第１障害要因検出用閾値を下回る）前記装置間ビットずれ量を確定し、前記監視項目の測定値が前記第１障害要因検出用閾値以下で第２障害要因検出用閾値を超える場合には、前記装置内ビットずれ量を順次変更しながら、前記第４データの一部に対応する前記第２データおよび前記第３データが一致するビットに関して前記第４データと前記第１データとを照合し、前記照合結果により誤り率が最小となる（あるいは前記第２障害要因検出用閾値を下回る）前記装置内ビットずれ量を確定し、前記確定された装置間および装置内ビットずれ量を用いてフレーム同期を復旧する。
【００３０】
また、前記第３制御手段は、前記監視項目の測定値が前記第２障害要因検出用閾値以下で第３障害要因検出用閾値を超える場合には、前記第１制御手段および前記第２制御手段の少なくとも一方の前記動作タイミングを変更しながら前記誤り率が最小となる動作タイミングを探索することでタイミングを復旧する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、監視項目とそれに対する障害要因検出用閾値とを設定しておき、監視項目の測定値と閾値とに基づいて障害要因を特定し障害要因に応じて異なる復旧を施す。したがって、障害要因に応じた復旧処理を行うことができ、従来のように障害要因を一律に扱って処理を中断する事態を有効に回避できる。これにより、処理を中断する必要がない障害については適切な復旧処理を行って処理を続行することが可能となり、全体として効率的な処理を行うことができる。
【００３２】
さらに、送信器と受信器との間の処理ずれだけでなく、受信器内の処理ずれも考慮して障害要因を特定し適切な復旧処理を行うことができるので、安定した信頼性の高い通信システムを実現できる。
【００３３】
特に、本発明を量子暗号鍵配布システムに適用した場合、暗号鍵の生成を安定して行うことができる。従来の量子暗号鍵配布技術では誤り率(ＱＢＥＲ)の劣化は盗聴者の存在を意味していたが、本発明では暗号鍵生成を中断する前に障害内容に応じて各種復旧処理を施すことができ、環境変化や通信エラー等に起因する誤り率劣化を盗聴行為の存在と誤認識することが無くなる。従って従来であれば鍵生成を中断していたところが、暗号鍵の生成を再開することができるので暗号鍵生成の長時間に渡る安定動作を実現できる。さらに、障害検出用の監視項目と閾値を複数持ち、障害要因を切り分けて各障害に応じた復旧処理を施すことによって、復旧処理に要する時間を短縮でき、それに従って暗号鍵生成を行える時間割合が大きくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明は、送信側および受信側で動作タイミングやデータの同期を必要とする通信システムに広く適用可能であるが、その望ましい実施形態として、ここでは量子暗号鍵配布システムについて説明する。特にＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式は、光ファイバ伝送路における偏光の揺らぎを補償することができるため、偏光に敏感な量子暗号鍵配布システムを実用化するための方式として期待されている（非特許文献４および６を参照）。
【００３５】
１．システム構成
図１は本発明の第１実施形態によるＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。本実施形態による量子暗号鍵配布システムでは、送信器（Ａｌｉｃｅ）１０と受信器（Ｂｏｂ）２０とが光ファイバ伝送路３０を介して接続されている。
【００３６】
１．１）送信器（Ａｌｉｃｅ）
送信器１０の量子ユニットは、位相変調器１０１および偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０２から構成されるＰＢＳループと可変光減衰器１０３とを有する。位相変調器１０１は、位相制御部１０４から供給される位相制御信号に従って、通過する光パルス列に対して位相変調を行う。位相変調の深さは、ここでは基底（＋／×）を示す乱数および鍵の素データを示す乱数（０／１）の４通りの組み合わせにそれぞれ対応する４通りの深さ（０、π／２、π、３π／２）となる。位相制御信号は変調の深さに対応した電圧であり、光パルスが位相変調器１０１を通過するタイミングで位相変調器１０１に印加され、当該光パルスの位相変調が行われる。位相制御部１０４は、光受信器１０５により受信した同期クロックに従って位相制御信号を位相変調器１０１へ印加するが、後述するように、その印加タイミングと印加電圧は制御部１０７により制御される。
【００３７】
ＰＢＳループはファラデーミラーと同様の機能を有し、ＰＢＳ１０２に受信器側から入射した光の偏光状態が９０度回転して送出される（詳しくは、本出願人により平成１６年１１月１９日に出願された特願２００４−３３５２２８号の明細書、非特許文献７を参照）。受信器２０から入射した量子ユニットの光信号は、光可変減衰器１０３を通してＰＢＳループで上述したように折り返され、光可変減衰器１０３を通して受信器２０へ送出される。光可変減衰器１０３は、量子ユニットの同期を取るためのトレーニングモード時には小さい減衰量に設定され、鍵生成のための量子モード時には単一光子伝送となるように大きい減衰量に設定される。
【００３８】
また、送信器１０は２個の乱数発生器（図示せず）を有し、制御部１０７は一方の乱数発生器で暗号鍵の素データ（０／１）を、もう一方の乱数発生器で基底情報（＋／×）をそれぞれ生成してメモリ１０９に順次格納する。後述するように、格納された乱数のビット番号はメモリ１０９のアドレスを用いて管理される。メモリ１０９としては、高速アクセスが実現できるメモリが望ましく、ここではＳＤＲＡＭを使用する。
【００３９】
鍵生成フローが開始されると、制御部１０７は光可変減衰器１０３の減衰量を大きくし、メモリ１０９から素データおよび基底を１組ずつ順次読み出して位相制御部１０４へ出力する。位相制御部１０４は、素データおよび基底の組に対応した位相制御信号を同期クロックに従って位相変調器１０１へ出力することで、位相変調器１０１を通過する光パルスに対して４通りの深さ（０、π／２、π、３π／２）の変調が施される。
【００４０】
位相制御部１０４に供給される同期クロックは、受信器２０から光ファイバ伝送路３０を通して受信した基準クロックを用いる。基準クロックは光受信器１０５により電気信号に変換され位相制御部１０４へ出力される。同時に、この基準クロックは光送信器１０６へも出力され、基準クロックとして受信器２０へ折り返される。また、制御部１０７は、光送受信器１０８を通して鍵生成、同期処理や補正処理などに必要なデータおよび制御信号を受信器２０の制御部２１１との間でやり取りする。
【００４１】
本実施形態では波長分割多重伝送が用いられ、量子ユニットの通信、基準クロックの送受信および制御部１０７のデータ通信は、それぞれ異なる波長により行われる。送信器１０には波長合分波器１１０が設けられ、光ファイバ伝送路３０から入射した光信号を分波して、光可変減衰器１０３、光受信器１０５および光送受信器１０８へ出力し、逆に、光可変減衰器１０３、光送信器１０６および光送受信器１０８から出射した光信号を合波して光ファイバ伝送路３０へ送出する。すなわち、光ファイバ伝送路３０には、量子ユニットで使用される量子チャネルと、光受信器１０５、光送信器１０６および光送受信器１０８でそれぞれ使用される古典チャネルとが波長多重されている。
【００４２】
１．２）受信器（Ｂｏｂ）
本実施形態における受信器２０の量子ユニットは、光サーキュレータ２０３、光カプラ２０４、位相変調器２０５、ＰＢＳ２０６および光検出器ＡＰＤ０、ＡＰＤ１を有する。光カプラ２０４とＰＢＳ２０６の間には長いパスと短いパスが並列に設けられている。位相変調器２０５は長いパスに設けられ、位相制御部２１０からの位相制御信号により位相変調の深さ（基底）と駆動タイミングとが制御される。光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１はアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）であり、位相制御部２１０からの制御信号によりガイガーモード(Gated Geiger Mode)で駆動される（非特許文献５を参照）。
【００４３】
受信器２０には基準クロック源２０１が設けられ、レーザ源２０２は基準クロック源２０１により生成された基準クロックに従って駆動され、同時に、その基準クロックは光送信器２０８を通して送信器１０へ送出される。送信器１０では、その基準クロックを用いて同期タイミングを決定すると共に、その基準クロックをそのまま受信器２０へ折り返す。送信器１０から折り返された基準クロックは光受信器２０９によって受信され、受信器２０の同期クロックとして位相制御部２１０へ供給される。位相制御部２１０は、制御部２１１の制御の下で、供給された基準クロックに同期するように位相変調器２０５の位相変調の深さおよび電圧印加タイミングを制御し、光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１に光子検出のための逆バイアス電圧の印加タイミングを制御する。
【００４４】
また、受信器２０は１個の乱数発生器（図示せず）を有し、制御部２１１は乱数発生器で基底情報（＋／×）を生成してメモリ２１４に順次格納する。鍵生成フローが開始されると、制御部２１１はメモリ２１４から基底情報を順次読み出し、位相制御部２１０へ出力する。メモリ２１４には、高速アクセスが実現できるメモリが使用される（ここではＳＤＲＡＭ）。位相制御部２１０は、基準クロックに従って位相変調器２０５に対して当該基底に対応する電圧の位相制御信号を印加する。これによって、送信器１０から伝送されてきた光パルスが位相変調器２０５を通過するタイミングに合わせて当該基底に対応した変調を施すことができる。
【００４５】
後述するように送信器１０の位相変調器１０１で変調された光パルスと受信器２０の位相変調器２０５で変調された光パルスとが光カプラ２０４で干渉し、それぞれの位相変調の深さの差に応じて光検出器ＡＰＤ０あるいは光検出器ＡＰＤ１で光子が検出される。光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１のそれぞれの検出信号は生鍵として順次メモリ２１３に書き込まれる。なお、メモリ２１３に書き込まれる生鍵のビット番号およびメモリ２１４に格納される基底情報としての乱数のビット番号は、後述するようにそれぞれのメモリのアドレスを用いて管理される。メモリ２１３として、ここでは高速アクセスが実現できるＳＤＲＡＭを使用する。
【００４６】
続いて、メモリ２１３に格納された生鍵のビット番号とそれらに対応するメモリ２１４に格納された基底情報とを送信器１０の制御部１０７へ通知し、上述した基底照合を経て基底が不一致の乱数ビットが捨てられるが、その際、基底が一致したビットのうちメモリ１０９に格納された素データとメモリ２１３に格納された検出データとの一致／不一致も検出され、誤り率ＱＢＥＲが算出される。モニタ２１２は誤り率ＱＢＥＲをメモリ２１３に蓄積しつつＱＢＥＲの変化を常時監視し、制御部２１１は誤り率ＱＢＥＲの値あるいはその変化量に応じて、後述する位相補正処理あるいはフレーム同期処理を適宜実行する。
【００４７】
上述したように本実施形態では波長分割多重伝送が用いられ、量子ユニットの通信、基準クロックの送受信および制御部２１１の基底照合等のデータ通信は、それぞれ異なる波長により行われる。受信器２０には波長合分波器２０７が設けられ、光ファイバ伝送路３０から入射した光信号を分波してＰＢＳ２０６、光受信器２０９および光送受信器２１５へ出力し、逆に、ＰＢＳ２０６、光送信器２０８および光送受信器２１５から出射した光信号を合波して光ファイバ伝送路３０へ送出する。
【００４８】
２．システム動作
基準クロック源２０１から供給されるクロック信号に従ってレーザ源２０２から出射した光パルスＰは、光サーキュレータ２０３により光カプラ２０４へ導かれ、光カプラ２０４により２分割される。分割された一方の光パルスＰ１は短いパスを通って直接ＰＢＳ２０６へ送られ、分割された他方の光パルスＰ２は長いパスに設けられた位相変調器２０５を通してＰＢＳ２０６へ送られる。これら光パルスＰ１およびＰ２はＰＢＳ２０６で合波され、ダブルパルスとして波長合分波器２０７および光伝送路３０を通して送信器１０へ送信される。
【００４９】
送信器１０において、伝送路３０から波長合分波器１１０および可変光減衰器１０３を通して到来したダブルパルスＰ１およびＰ２は、ＰＢＳ１０２でさらに分離され、時計回りのダブルパルスＰ１CWおよびＰ２CWと反時計回りのダブルパルスＰ１CCWおよびＰ２CCWの４つのパルス、すなわちカルテットパルスとなって位相変調器１０１をそれぞれ反対方向で通過し、それぞれ出射したポートとは反対のＰＢＳポートへ入射する。
【００５０】
位相変調器１０１は、時計回りのダブルパルスの後方のパルスＰ２CWを前方のパルスＰ１CWに対して位相変調するとともに、反時計回りのダブルパルスと時計回りのダブルパルスとの間にπの位相差を与える。位相変調器１０１は位相制御部１０４の位相制御信号によってカルテットパルスの各パルスに任意の位相変調を施すようにタイミング制御される。
【００５１】
こうして必要に応じて位相変調されたカルテットパルスはＰＢＳ１０２で合波され再びダブルパルスに戻る。上述したように後方のパルスのみが伝送情報により位相変調されたので、出射ダブルパルスをＰ１およびＰ２*aと記す。このときＰＢＳループ入射時に対して出射時は偏波が９０°回転しているので、結果的にファラデーミラーと同等の効果が得られる。
【００５２】
受信器２０のＰＢＳ２０６は、送信器１０から受信した光パルスＰ１およびＰ２*aの偏光状態が９０度回転していることから、これら受信パルスをそれぞれ送信時とは異なるパスへ導く。すなわち受信した光パルスＰ１は長いパスを通り、位相変調器２０５を通過するタイミングで指定された基底で位相変調され、位相変調された光パルスＰ１*bが光カプラ２０４に到達し、他方、光パルスＰ２*aは送信時とは異なる短いパスを通って同じく光カプラ２０４に到達する。
【００５３】
こうして送信器１０で位相変調された光パルスＰ２*aと受信器２０で位相変調された光パルスＰ１*bとが干渉し、その結果が光子検出器ＡＰＤ０またはＡＰＤ１により検出される。光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１は、位相制御部２１０から供給されるクロック信号に従ってガイガーモードで駆動され、その検出データはメモリ２１３に順次格納される。そして基底照合の際に算出されたＱＢＥＲがモニタ２１２により監視され、制御部２１１は、誤り率ＱＢＥＲと予め格納された監視項目に対応した閾値（Ｑbit、Ｑphase等）とを比較しながら、必要に応じてそれぞれ適した復旧処理を実行する。以下、本発明の望ましい実施例による監視制御および復旧処理について詳細に説明する。これら実施例による監視制御および復旧処理は、送信器１０の制御部１０７と受信器２０の制御部２１１およびモニタ２１２とによって実行されるが、送信器１０および受信器２０のそれぞれのプログラム制御プロセッサ上でフレーム同期制御プログラムを実行することで同様の機能を実現してもよい。
【実施例１】
【００５４】
先ず、本実施例では、量子暗号鍵配布のシステム障害要因として以下の４点を想定する。
【００５５】
（１）フレーム同期ずれ：Ａｌｉｃｅ/Ｂｏｂ間またはＢｏｂ内部でのフレーム同期ずれ
（２）変調・検出位相ずれ：光子パルスを変調、検出するクロック位相のずれ
（３）盗聴者(Eve)の存在：盗聴行為による暗号鍵生成速度の劣化
（４）光源・受光器障害：光子パルスを生成、検出するデバイスの障害。
【００５６】
これら障害の詳細に関しては後述するが、障害の種類によって誤り率ＱＢＥＲ(Quantum Bit Error Rate)の劣化レベルに相違がみられる。そこで本実施例では、障害の種類に応じて、フレーム同期処理用の閾値Ｑbit、位相補正処理用の閾値Ｑphase、および、盗聴検出用の閾値ＱEveを予め設定する。これら閾値の具体的な決定方法については各障害の詳細を説明するときに述べる。
【００５７】
図２（Ａ）は本発明の第１実施例による通信ネットワークの監視制御方法を示すフローチャートであり、（Ｂ）は誤り率ＱＢＥＲの変化に応じた位相補正およびフレーム同期処理の一例を示す模式的グラフである。本実施例では図２（Ａ）のシーケンスに基づいてシステムの障害検出と復旧作業を行う。
【００５８】
モニタ２１２は、上述したように、量子暗号鍵配布Ｓ１０１において算出されたＱＢＥＲを監視し、制御部２１１はＱＢＥＲとフレーム同期処理用の閾値Ｑbitとを比較し（ステップＳ１０２）、ＱＢＥＲ＜Ｑbitであれば、さらに位相補正処理用の閾値Ｑphaseと比較する（ステップＳ１０３）。ＱＢＥＲ＜Ｑphaseであれば（ステップＳ１０３のＹｅｓ）、後続する鍵生成フロー、ここでは誤り訂正、残留誤り検出および秘匿増強の各処理が実行される（ステップＳ１０４）。
【００５９】
これに対して、ＱＢＥＲ＜Ｑbitであるが（ステップＳ１０２のＹｅｓ）、位相補正処理用の閾値Ｑphase以上に悪化している場合には（ステップＳ１０３のＮｏ）、位相補正処理が実行される（ステップＳ１０５）。既に定義したように、「位相ずれ」とは光子の通過／到達タイミングとクロックタイミングとのずれをいう。「位相補正処理」としては、非特許文献６に記載された位相整合(Phase alignment）を用いる方法あるいは位相制御部を制御してクロックタイミングをシフトさせながらモニタ２１２で最小のＱＢＥＲとなるタイミングに合わせる処理などがある。
【００６０】
位相補正処理Ｓ１０５が終了すると、続いてフレーム同期処理を実行する（ステップＳ１０６）。すでに定義したように、「フレーム同期」とは送信側と受信側との間で情報ビットの同期が取れていること、すなわちビット対応の正しい認識が成立している状態をいい、「フレーム同期ずれ」とはビット対応が誤認識されている状態をいう。また「フレーム同期処理」とは、ビット対応をシフトさせながらＱＢＥＲが最小となるビット対応に再設定することであるが、具体的には後述するフレーム同期処理の項で説明する。
【００６１】
フレーム同期処理Ｓ１０６が終了すると、制御部２１１は再計算されたＱＢＥＲと盗聴検出用の閾値ＱEveとを比較する（ステップＳ１０７）。ＱＢＥＲ＜ＱEveであれば（ステップＳ１０７のＹｅｓ）、再びステップＳ１０２に戻る。
【００６２】
他方、ＱＢＥＲがフレーム同期処理用の閾値Ｑbit以上に悪化していれば（ステップＳ１０２のＮｏ）、上述したフレーム同期処理（ステップＳ１０６）を行い、続いてステップＳ１０７を実行する。
【００６３】
ここで位相補正処理Ｓ１０５を実行した後にフレーム同期処理Ｓ１０６を実行するのは、位相補正処理によってクロックの位相が変化し、フレーム同期ずれを誘発している可能性があるからである。また一般的に、フレーム同期処理と位相補正処理とを比べると、フレーム同期処理に要する時間の方が位相補正処理のそれと比べて格段に短いために、位相補正処理を行うに当たって、追加してフレーム同期処理を行うことに時間的な損失が大きくないからでもある。
【００６４】
ステップＳ１０７においてＱＢＥＲがＱEve以上に悪化していれば（ステップＳ１０７のＮｏ）、制御部２１１はＱＢＥＲ＜ＱEveとなるまで位相補正処理Ｓ１０５およびフレーム同期処理Ｓ１０６を所定回数（Ｎ）だけ連続して繰り返す（ステップＳ１０８）。所定回数繰り返してもＱＢＥＲが改善しなければ（ステップＳ１０８のＹｅｓ）、その時初めて暗号鍵生成フローを中断する（ステップＳ１０９）。その際、盗聴の可能性があることを示すアラームを生成することが望ましい。
【００６５】
なお、ＱＢＥＲは確率的に定まる値であり有限の偏差を有する。したがってＱＢＥＲの閾値ＱbitやＱphaseを設定して「この値を超えると障害」と判断するだけではなく、「複数回連続して閾値を超えると障害」といった判断も必要である。
【００６６】
量子鍵配布中に盗聴行為によって情報が漏れている場合にもＱＢＥＲは劣化するが、この劣化はシステム復旧によって改善しない。したがって、所定回数連続して位相補正処理Ｓ１０５およびフレーム同期処理Ｓ１０６を繰り返しても復旧しない場合は、「盗聴の可能性有り」として暗号鍵の生成を中断する。その際、盗聴の可能性があることを示すアラームを生成することが望ましい。
【００６７】
ここで、非特許文献２および３に示した漏洩情報量推定手段を用いて盗聴された可能性のある情報量を破棄することにより暗号鍵生成は行うことができるが、ある誤り率の値を超えると安全な暗号鍵生成が行えなくなる。したがって、この値を盗聴検出用の閾値ＱEveとして使用する。
【００６８】
また、装置内に使用しているデバイス自体の故障により誤り率が増加することもあるが、本装置の最終目的は、第三者に漏洩することなく共有暗号鍵を生成することであるから、ＱＢＥＲに変化を及ぼさない障害は無視できる。従って、暗号鍵生成を中断するトリガは、システム復旧後でも閾値ＱEveを超えている場合として構わない。
【００６９】
図２（Ｂ）は、一例としてＱbit＝３０％、Ｑphase＝１０％、ＱEve＝１０％強に設定した場合のＱＢＥＲの変化と位相補正処理Ｓ１０５およびフレーム同期処理Ｓ１０６を模式的に示したものである。図示されているように、ＱＢＥＲが劣化しても位相補正処理Ｓ１０５およびフレーム同期処理Ｓ１０６を実行することで復旧できるかどうかをチェックし、復旧すれば、そのまま鍵生成フローを続行することができ、鍵生成効率を改善することができる。また、何回か試みても復旧できない場合に「盗聴の可能性有り」と判断して暗号鍵の生成を中断するので、鍵生成の効率性とともに安全性も担保される。
【００７０】
（１）フレーム同期ずれ
既に述べたように、量子暗号鍵配布システムにおいては、送信側と受信側との間で情報ビットのフレーム同期が取れていること、すなわちビット対応の正しい認識が成立していることが前提である。しかしながら、現実問題として、温度変動による光伝送路の伸縮や受信器内での電気回路の遅延変動などによってビット位置の同期が外れる可能性がある。
【００７１】
１．１）装置間および装置内の処理ずれの定義
図３は、量子暗号鍵配布システムにおける装置間および装置内の伝搬遅延によりビット番号がずれる様子を示した模式図である。上述したように、データおよび基底のビット番号はメモリのアドレスにより管理される。
【００７２】
送信器１０のメモリ１０９には、暗号鍵の素データの乱数がアドレス( … i-3, i-2, i-1, i, i+1,…)に、基底情報の乱数がアドレス( … j-3, j-2, j-1, j, j+1,…)にそれぞれ格納され、ｉとｊとが対応しているものとする。位相変調器１０１によって変調を施す時、制御部１０７はメモリ１０９のアドレスｉ，ｊからそれぞれデータおよび基底を読み出し、その組み合わせに対応した変調の深さで位相変調器１０１により光パルスの位相変調が行われる。ただし、装置内の等遅延設計により、アドレスｉおよびｊからの読み出しには遅延差がなく、ｉ＝ｊを常に満たすものと仮定する。
【００７３】
送信器１０から送出されたダブルパルスは、上述したように受信器２０のＰＢＳ２０６で受信器２０を出射したときは別のパスに導かれ、一方は短いパスを通してそのまま光カプラ２０４へ、他方は長いパスを通して位相変調器２０５で位相変調され光カプラ２０４へ到達する。位相変調器２０５によって変調を施す時、制御部２１１はメモリ２１４のアドレス（ｋ）から基底を読み出し、それに対応した変調の深さで位相変調器２０５が光パルスに位相変調を行う。
【００７４】
こうして光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１により検出されたデータはメモリ２１３のアドレスｌ（エル），ｍに順次書き込まれる。この場合も装置内の等遅延設計により、アドレスｌおよびｍへの書き込みには遅延差がなく、ｌ＝ｍを常に満たすものと仮定する。
【００７５】
このように、送信器１０におけるメモリ１０９の読み出しアドレスｉ，ｊ、受信器２０におけるメモリ２１４の読み出しアドレスｋおよびメモリ２１３の書き込みアドレスｌ，ｍは全て異なる値となるが、送信側のどのビットが受信側のどのビットに対応するかを正しく認識するためには、これらのメモリの間でアドレスの対応関係を決定しておく必要がある。
【００７６】
そこで、ｉ＝ｊおよびｌ＝ｍが常に満たされるとして、送信器１０のメモリ１０９の変調アドレスと受信器２０のメモリ２１３の検出アドレスとの差を装置間アドレス差分ＧD(= l - i)、受信器２０の内部での変調アドレスと検出アドレスとの差を装置内アドレス差分ＧI(= l - k)と呼び、これらのアドレス差分値の変動と通信品質劣化との関係を次に検討する。
【００７７】
１．２）フレーム同期ずれとＱＢＥＲ劣化
装置間アドレス差分ＧDおよび／または装置内アドレス差分ＧIが温度変化等の原因で変動すると、ＱＢＥＲは次のように変動する。なお、簡単の為にＡｌｉｃｅから送信したビットは全てＢｏｂに誤り無く届くと仮定する。
【００７８】
ａ）ＧD, ＧI共に正しい場合
図４は、装置間アドレス差分ＧDと装置内アドレス差分ＧIとが共に正しい場合のビット対応を示す模式図である。ＱＢＥＲの計算では、Ａｌｉｃｅ及びＢｏｂにおいて施した変調の基底（Ｂａｓｉｓ）が一致するビットに関してデータの一致率を計算する。図４に示す様に、基底の一致しないビットに関しては誤り率に影響せず、基底の一致したビットではＡｌｉｃｅ側のデータＡとＢｏｂ側のデータＢとは一致するので、ＱＢＥＲは０％となる。
【００７９】
ｂ）ＧDが正しくない場合
図５は、装置間アドレス差分ＧDが正しくない場合のビット対応を示す模式図である。この場合には、基底照合の際に比較するビットが異なるので相関の無い乱数をずらして比較することとなり、ＱＢＥＲは約５０％となる。しかしながら、ＱＢＥＲを計算する際のビット量によって、フレーム同期ずれが計算範囲の途中で生じたり計算結果そのもののばらつき等も生じたりする。したがって、これらも考慮してＱＢＥＲ計算結果が３０％〜６０％程度の範囲内であれば、ＧDが正しくない場合のフレーム同期ずれが生じていると判断できる。このＧD不正フレーム同期ずれを判定する基準として、装置間フレーム同期ずれ閾値Ｑbitを３０％〜６０％の範囲内に設定する。
【００８０】
ｃ）ＧIが正しくない場合
図６（Ａ）は装置内アドレス差分ＧIが正しくない場合のビット対応を示す模式図であり、（Ｂ）はこの場合のＱＢＥＲの推定範囲を説明するための図である。この場合には、図６（Ａ）に示すように、Ｂｏｂ内部で変調のための基底情報アドレスと検出信号の書き込みアドレスとがずれている。したがって、ＱＢＥＲ計算は上記（ａ）、（ｂ）の様に単純ではなく、図６（Ｂ）の様な場合分けで考える必要がある。
【００８１】
まず、Ａｌｉｃｅにおいてｉビット目で変調された光子が、Ｂｏｂにおいて（ｉ＋１）ビット目で変調され、ｉビット目で受信されたと仮定する。但し、Ｂｏｂはｉビット目で変調したものと誤認している。
【００８２】
Ａｌｉｃｅのｉビット目の基底BasisAiとＢｏｂのｉビット目の基底BasisBiとが一致する確率も一致しない確率も共に５０％である。ただし、ｉビット目の基底が一致しない場合（BasisAi≠BasisBi）はＱＢＥＲに影響ないので、一致する場合（BasisAi＝BasisBi）のみ検討すればよい。
【００８３】
上述したように、実際にＢｏｂにおいて光子が変調を受けた基底は（ｉ＋１）ビット目であるから、（ｉ＋１）ビット目の基底BasisBi+1とｉビット目の基底BasisBiとが一致する場合（BasisBi＝BasisBi+1）は誤り無く受信することができ（１００％）、異なる場合（BasisBi≠BasisBi+1）は５０％の確率で誤受信することになる。
【００８４】
したがって、結果としてビットが誤りとなる確率は、５０％×５０％＝２５％となる。ＱＢＥＲを計算する際のビット量によって、フレーム同期ずれが計算範囲の途中で生じたり計算結果そのもののばらつき等も生じたりするので、これらを考慮してＱＢＥＲ計算結果が１５％〜３０％程度の範囲内であれば、ＧIが正しくない場合のフレーム同期ずれが生じていると判断できる。このＧI不正フレーム同期ずれを判定する基準として、装置内フレーム同期ずれ閾値Ｑinを１５％〜３０％の範囲内に設定する。
【００８５】
上述した各ケースのフレーム同期ずれは、ＣＰＵの処理エラーやＡｌｉｃｅ／Ｂｏｂ間の通信エラー等の要因で引き起こされるが、次に説明するフレーム同期処理を実行することで劣化前のＱＢＥＲに復旧可能である。
【００８６】
１．３）フレーム同期処理
以下、本実施例におけるフレーム同期処理について詳細に説明する。
【００８７】
ａ）フレーム同期処理（１）
図７は、送信器および受信器の間で行われるフレーム同期処理の第１例の過程を示すシーケンス図である。まず、受信器（Ｂｏｂ）１０の制御部２１１は装置内アドレス差分ＧIの概算値としてＧI’を仮設定する。そしてメモリ２１３のアドレスｌ，ｍに対応するタイミングで光子を検出した場合（以下、「ｌビット目」という。）、制御部２１１は、当該アドレスの検出データ（０／１）と、当該アドレスに対応するメモリ２１４のアドレス（ｋ）の周りの所定範囲（ｌ−ＧI’）〜（ｌ−ＧI’＋ｇｉ）に格納された基底と、を送信器１０へ送信する。ここで、ｇｉは装置内アドレス差分ＧIの調整範囲を示す。
【００８８】
送信器（Ａｌｉｃｅ）１０の制御部１０７は装置間アドレス差分ＧDの概算値としてＧD’を仮設定する。受信器２０から受信したｌビット目の検出データと（ｌ−ＧI’）〜（ｌ−ＧI’＋ｇｉ）ビット目の基底（Ｂｏｂ）の各々との組み合わせに対して、メモリ１０９における対応ビット（ｌ−ＧD’）の周りの所定範囲（ｌ−ＧD’）〜（ｌ−ＧD’＋ｇｄ）に格納されたデータおよび基底（Ａｌｉｃｅ）との照合を行い、それぞれＱＢＥＲを算出する。ここで、ｇｄは装置間アドレス差分ＧDの調整範囲を示す。このようにして最もＱＢＥＲの低くなるＧDおよびＧIを決定することでフレーム同期を確立した後、これらの差分値を使用して暗号鍵抽出を行う。
【００８９】
ここで誤り率ＱＢＥＲは、（ｌ−ＧD’）〜（ｌ−ＧD’＋ｇｄ）ビット目の基底（Ａｌｉｃｅ）の各々と、（ｌ−ＧI’）〜（ｌ−ＧI’＋ｇｉ）ビット目の基底（Ｂｏｂ）の各々とが同一であるビットに対して、それに対応するＡｌｉｃｅ側のメモリ１０９に格納された素データとＢｏｂ側のｌビット目の検出データとの一致率を計算することで求めることができる。
【００９０】
ｂ）フレーム同期処理（２）
図８は本発明によるフレーム同期処理の第２例を示すフローチャートである。この例では、ＧDおよびＧIを総当たり的に変化させ、ＱＢＥＲがフレーム同期処理用閾値Ｑbitを下回る時のＧDおよびＧIをもってフレーム同期を終了する。
【００９１】
図８において、量子鍵配布の後、ＧI＝ＧI’およびＧD＝ＧD’と仮設定する（ステップＳ１１）。ここで、ＧI’は装置内ビットずれ仮補正値（ｌ−ｋの概算値）であり、ＧD’は装置間ビットずれ仮補正値（ｌ−ｉの概算値）である。
【００９２】
続いて、（ｌ−ＧD）ビット目のＡｌｉｃｅ側メモリ１０９の基底と（ｌ−ＧI）ビット目のＢｏｂ側メモリ２１４の基底とが同一であるビットに対して、（ｌ−ＧD）ビット目のＡｌｉｃｅ側のメモリ１０９に格納された素データとｌビット目のＢｏｂ側メモリ２１３に格納された検出データとの一致率を計算することでＱＢＥＲを計算する（ステップＳ１２）。
【００９３】
次に、計算されたＱＢＥＲと装置間フレーム同期処理用閾値Ｑbitとが比較され（ステップＳ１３）、ＱＢＥＲがＱbit以上であれば（ステップＳ１３のＮｏ）、ＧDが調整範囲の下限（ＧD’−ｇｄ）まで到達したか否かが判断される（ステップＳ１４）。ＧDがさらに調整可能であれば（ステップＳ１４のＮｏ）、ＧDを１減少させ（ステップＳ１５）、ステップＳ１２へ戻る。
【００９４】
こうして、ＧDが（ＧD’−ｇｄ）に到達するまで１ずつ変化させながら、その都度ＱＢＥＲを計算し、その間にＱＢＥＲ＜Ｑbitになれば（ステップＳ１３のＹｅｓ）、フレーム同期処理を完了する。
【００９５】
ＧDが（ＧD’−ｇｄ）に到達すると（ステップＳ１４のＹｅｓ）、ＧIが調整範囲の下限（ＧI’−ｇｉ）まで到達したか否かが判断される（ステップＳ１６）。ＧIがさらに調整可能であれば（ステップＳ１６のＮｏ）、ＧIを１減少させるとともにＧDを初期の仮設定値ＧD’に戻し（ステップＳ１７）、上記ステップＳ１２〜Ｓ１５を繰り返す。すなわち、ＧIが（ＧI’−ｇｉ）に到達するまで１ずつ減少させながら、ステップＳ１２〜Ｓ１５を繰り返し、その都度ＱＢＥＲを計算し、その間にＱＢＥＲ＜Ｑbitになれば（ステップＳ１３のＹｅｓ）、フレーム同期処理を完了する。
【００９６】
このようにしてＱＢＥＲ＜ＱbitになることなくＧIが（ＧI’−ｇｉ）に到達すると（ステップＳ１６のＹｅｓ）、総当たりでもＱＢＥＲが改善されなかったこととなり、フレーム同期失敗と判断し鍵生成を中断する。
【００９７】
ｃ）フレーム同期処理（３）
図９は本発明によるフレーム同期処理の第３例を示すフローチャートである。この例では、上述したようにＧDが正しくない場合の誤り率ＱＢＥＲが５０％、ＧIのみ正しくない場合のＱＢＥＲが２５％になることを利用し、ＧDを先に決定し、その後でＧIを決定する。
【００９８】
図９において、量子鍵配布の後、ＧI＝ＧI’およびＧD＝ＧD’と仮設定する（ステップＳ１１）。続いて、（ｌ−ＧD）ビット目のＡｌｉｃｅ側メモリ１０９の基底と（ｌ−ＧI）ビット目のＢｏｂ側メモリ２１４の基底とが同一であるビットに対して、（ｌ−ＧD）ビット目のＡｌｉｃｅ側のメモリ１０９に格納された素データとｌビット目のＢｏｂ側メモリ２１３に格納された検出データとの一致率を計算することでＱＢＥＲを計算する（ステップＳ１２）。
【００９９】
次に、計算されたＱＢＥＲと装置間フレーム同期処理用閾値Ｑbitとが比較され（ステップＳ１３）、ＱＢＥＲがＱbit以上であれば（ステップＳ１３のＮｏ）、ＧDが調整範囲の下限（ＧD’−ｇｄ）まで到達したか否かが判断される（ステップＳ１４）。ＧDがさらに調整可能であれば（ステップＳ１４のＮｏ）、ＧDを１減少させ（ステップＳ１５）、ステップＳ１２へ戻る。
【０１００】
こうして、ＧDが（ＧD’−ｇｄ）に到達するまで１ずつ変化させながら、その都度ＱＢＥＲを計算し、ＱＢＥＲ＜ＱbitになることなくＧDが（ＧD’−ｇｄ）に到達すると（ステップＳ１４のＹｅｓ）、フレーム同期失敗と判断し鍵生成を中断する。
【０１０１】
ＱＢＥＲ＜Ｑbitになれば（ステップＳ１３のＹｅｓ）、続いてＱＢＥＲと装置内フレーム同期処理用閾値Ｑinとが比較される（ステップＳ２１）。ＱＢＥＲがＱin以上であれば（ステップＳ２１のＮｏ）、ＧIが調整範囲の下限（ＧI’−ｇｉ）まで到達したか否かが判断される（ステップＳ２２）。ＧIがさらに調整可能であれば（ステップＳ２２のＮｏ）、ＧIを１減少させ（ステップＳ２３）、ＱＢＥＲを計算して（ステップＳ２４）、ステップＳ２１へ戻る。
【０１０２】
こうして、ＧIが（ＧI’−ｇｉ）に到達するまで１ずつ変化させながら、その都度ＱＢＥＲを計算し、ＱＢＥＲ＜Ｑinになれば（ステップＳ２１のＹｅｓ）、フレーム同期を完了し、ＱＢＥＲ＜ＱinになることなくＧIが（ＧI’−ｇｉ）に到達すると（ステップＳ２２のＹｅｓ）、フレーム同期失敗と判断し鍵生成を中断する。
【０１０３】
（２）変調・検出位相ずれ
図１に示すような往復型の量子暗号鍵配布システムは、ＰＭＤ(Polarization Mode Dispersion)やＰＤＬ(Polarization Dependent Loss)といった伝送路における偏波方向依存の擾乱を抑制すると共に、光子パルスに載せられた位相情報を読み取るために必要な光学干渉計を効率良く組織できる、という利点を有する。
【０１０４】
一方、往復型のシステムであるが故に、光子パルスに位相情報を載せるために用いる位相変調器を双方向で使用する必要が生じ、位相変調器を単一方向で使用する場合と比べて高い変調タイミング精度が必要になる。ここで、光子パルスが位相変調器を通過するタイミングと位相変調器を駆動するタイミングがずれると、所望量の位相変調を施すことができなくなり、干渉計の信号対雑音比（ＳＮ比）に対応する明瞭度が低下する。この低下は即ちＱＢＥＲの劣化に対応する。
【０１０５】
上述したように、送信器１０の位相変調器１０１によって通過光パルスに位相変調を施し、それを可変光減衰器１０３によって単一光子状態まで減衰させて受信器２０へ送信する。受信器２０では、単一光子状態の光パルスを位相変調器２０５によって位相変調し干渉させることで平衡型ゲートモード光子検出器ＡＰＤ０、ＡＰＤ１（非特許文献５）で光子検出を行う。一般的に、ＡＰＤにゲート電圧を印加し始めた直後に光子が入射するようにタイミング調整するとＡＰＤ内部で最も雪崩増倍が起こりやすくなることが知られている。光子入射のタイミングとＡＰＤへのゲート電圧印加タイミングとがずれると、その分、雪崩増倍が減少し、出力電流も減少してＳＮ比が劣化する。この劣化は即ちＱＢＥＲの劣化に対応する。
【０１０６】
このようなタイミングずれ、すなわち光子入射のタイミングと位相変調器／ＡＰＤの駆動タイミングとのずれは、温度変化による光伝送路の遅延変動、電気回路の遅延変動によって引き起こされるので、変化の割合は比較的小さい。従って、クロック位相をシフトさせることで、光子入射のタイミングと位相変調器／ＡＰＤの駆動タイミングとを最適位置に調整することができ、劣化前のＱＢＥＲに復元させることができる。
【０１０７】
クロック位相の調整法はいくつか提案されている。非特許文献６には、クロック信号を可変遅延した補正クロック信号と光子検出信号との位相差を検出し、その位相差に応じてクロック信号の遅延量を変化させる温度補償遅延ロックループ（ＤＬＬ）を用いた方法が記載されている（非特許文献６のＦｉｇ．２参照）。また、ＱＢＥＲをモニタしながらクロック位相を徐々にシフトさせ、ＱＢＥＲが最小となるクロック位相を最適位置として設定する方法も利用可能である。
【０１０８】
変調・検出位相ずれによるＱＢＥＲは、上述したＧI不正フレーム同期ずれのＱＢＥＲ＝１５％〜３０％より小さく、ここでは６％±２％程度とし、変調・検出位相ずれを判定する基準として閾値Ｑphaseを１０％に設定する。
【０１０９】
（３）盗聴者の存在
非特許文献２および３に記載されている盗聴者Ｅｖｅの情報量は、Incoherent Attack(Individual Attack)と呼ばれる盗聴法に基づいている。この盗聴法によれば、Ｅｖｅは１度に１個の光子にだけ自分の持っている量子プローブをエンタングルさせる（絡ませる）ことによって光子パルスに載せられた乱数情報をある程度盗み、Ａｌｉｃｅ／Ｂｏｂ間で基底照合のための通信が行われるまで当該量子プローブを保持する。基底公開後に適切な観測を行うことにより盗聴者は最大限の情報を得ることができる。
【０１１０】
非特許文献２および３によれば、ＱＢＥＲが１１〜１５％以上になると、Ｅｖｅの情報がＢｏｂの情報量を上回ることが導かれている。これらのＱＢＥＲ閾値は理論的に導かれたものであり、実世界における様々な制約を加味するとＥｖｅに漏れ得る情報量はより小さくなるが、実装置の雑音指数を理論的に定量化することはできないために一般に上記ＱＢＥＲ閾値を盗聴検出の閾値ＱEveとして使用する。
【０１１１】
その他、より現実的な盗聴法として、Ｅｖｅが一旦光子パルスを受光／観測してから観測結果に基づいて再度光子パルスをＢｏｂへと送り直すIntercept/Resend Attackといった盗聴法もある。しかし、この盗聴法でＥｖｅが光子ビットに残す痕跡の大きさはIncoherent Attackのそれと比べて大きいため、この盗聴が行われている場合には誤り率はより大きく劣化する。したがって、ＱＢＥＲ閾値ＱEveを１０％強に設定しておけば、Incoherent Attackに加えてこの盗聴も検出できる。
【０１１２】
さらに、ＱＢＥＲは確率的に定まる値であり有限の偏差を有する。したがってＱＢＥＲの閾値を設定して「この値を超えると障害」と判断するだけではなく、「複数回連続して閾値を超えると障害」といった判断が必要となる。具体的には、一定の長さの時間、一定の大きさの空間において、ごく稀な確率で発生する事象の確率分布はポアソン（Poisson）分布に従うことが知られている。ＱＢＥＲが１０％とすると、１０００ビットの試験ビットの中に１００ビット前後の誤りが含まれており、この誤り数は１０ビット分の標準偏差を持つ。つまり誤り数は９０〜１１０ビットまで無為に揺らぎ、これに従って測定されるＱＢＥＲも９％〜１１％まで変化する。この確率的な誤差を小さくするためには、試験ビットを増やすか試験回数を増やすことが必要となる。
【０１１３】
盗聴行為によって生じたＱＢＥＲ劣化は、いかなる復旧作業を施しても元に戻ることはない。したがって、システム復旧後に測定したＱＢＥＲが盗聴閾値ＱEveより上回っている場合は「盗聴可能性有り」として暗号鍵生成を中断する。
【０１１４】
（４）光源・受光器障害
光子パルスを生成するレーザ源および光子パルスを検出する受光器の障害によってもＱＢＥＲは劣化する。レーザ光源のエネルギー変換効率が劣化すると、出力光強度が劣化し、それによって光子受信器に到達する光強度も劣化し、受信器での光子カウント数が減少する。一方、受信器でのノイズ量は入射光強度に依らず一定であるために、結果として暗号鍵のＳＮ比が劣化する。この劣化は即ちＱＢＥＲの劣化に対応する。
【０１１５】
また、光子受信器でも光電変換効率の劣化やバイアス電圧の低下など様々な劣化要因があり、これによって同一光強度を受光していても光子カウント数は劣化する。一方、この様なデバイス劣化によってノイズ量も変化するが、一般的にＳＮ比が劣化することが大半である。つまり、光子受信器の障害によってもＱＢＥＲは劣化する。
【０１１６】
以上のようなデバイスそのものの劣化に起因するＱＢＥＲの劣化は復旧機構によって回復するものではない。したがって、本障害を検出した時にはアラームを上げ暗号鍵の生成を停止する。
【０１１７】
なお、上述した監視制御は送信器１０の制御部１０７および受信器２０の制御部２１１のいずれで実行してもよい。
【０１１８】
（５）効果
本発明の第１実施例によれば、量子暗号鍵配布において暗号鍵の生成を安定して行うことができる。従来の量子暗号鍵配布技術では誤り率(ＱＢＥＲ)の劣化は一律に盗聴者の存在を意味していたが、本発明ではＱＢＥＲの劣化に応じて障害内容を切り分けることができるために、適切な復旧処理を施すことができ、環境変化や通信エラー等に起因する誤り率の劣化を盗聴行為の存在と誤認識することが無くなる。従って、従来であれば鍵生成を中断していたところが、暗号鍵の生成を再開することができるので暗号鍵生成の長時間に渡る安定動作を実現できる。
【０１１９】
さらに、障害要因を切り分けて各障害に応じた復旧処理を施すことによって、復旧処理に要する時間を短縮でき、それに従って暗号鍵生成のための時間割合を大きくすることができ、全体として暗号鍵生成速度を向上させることができる。
【実施例２】
【０１２０】
上述した第１実施例ではＱＢＥＲをモニタすることによってシステムの障害検出を行ったが、本発明の第２実施例ではＱＢＥＲに加えて生鍵生成速度も監視してシステムの障害検出を行う。なお、本発明の第２実施例を適用する量子暗号鍵配布システムは、受信器２０のモニタ２１２がＱＢＥＲに加えて生鍵生成速度の監視も行う点を除いて、基本的に図１のシステム構成と同様である。
【０１２１】
モニタ２１２のＱＢＥＲ監視は第１実施形態と同様であるが、生鍵生成速度ＶRは単位時間あたりの光子カウント数を用いる。たとえば、図１のシステムにおいて、ガイガーモード駆動された光検出器ＡＰＤ０あるいはＡＰＤ１により光子が検出されると、それらのビットがメモリ２１３に生鍵として記録される。モニタ２１２はメモリ２１３に記録された生鍵のビット数を単位時間間隔でカウントすることにより生鍵生成速度ＶRを検出する。
【０１２２】
本実施例において、量子暗号鍵配布システムの生鍵生成速度劣化要因として次の２点を想定する。
【０１２３】
（１）変調・検出位相ずれ：光子パルスを変調、検出するクロック位相のずれ
（２）光源・受光器障害：光子パルスを生成、検出するデバイスの障害。
【０１２４】
これらの障害の詳細に関しては後述するが、いずれの障害時にも生鍵(Raw key)生成速度の劣化を招く。これらに対して制御部２１１は、障害の種類に応じて、生鍵生成速度閾値ＶR-TH、フレーム同期処理用の閾値Ｑbit、位相補正処理用の閾値Ｑphase、および、盗聴検出用の閾値ＱEveを予め設定する。Ｑbit、ＱphaseおよびＱEveに関しては、上述した第１実施形態で説明したとおりである。生鍵生成速度閾値ＶR-THの具体的な決定方法については後述する。
【０１２５】
図１０は本発明の第２実施例による通信ネットワークの監視制御方法を示すフローチャートである。本実施例では図１０のシーケンスに基づいてシステムの障害検出と復旧作業を行う。
【０１２６】
まず、モニタ２１２は、上述したように、量子暗号鍵配布Ｓ１０１中に生鍵生成速度（共有速度）ＶRと上述したＱＢＥＲを監視し、制御部２１１は生鍵の共有速度ＶRと生鍵生成速度閾値ＶR-THとを比較し（ステップＳ２０１）、生鍵生成速度ＶRが閾値ＶR-TH以下であれば（ステップＳ２０１のＮｏ）、所定連続回数（Ｍ）に到達しているか否かを判断し（ステップＳ２０２）、Ｍ未満であれば（ステップＳ２０２のＮｏ）、位相補正処理（ステップＳ２０３）およびフレーム同期処理（ステップＳ２０４）を実行する。これらの復旧処理後に生鍵生成速度ＶRが閾値ＶR-THを上回っているかどうかを判断し（ステップＳ２０１）、改善されていなければ、ＶR＞ＶR-THとなるまで、Ｍ回連続してステップＳ２０３およびＳ２０４を繰り返す。それでも改善されない場合には（ステップＳ２０２０のＹｅｓ）、暗号鍵生成を中断する（ステップＳ２０５）。その際、盗聴の可能性があることを示すアラームを生成することが望ましい。
【０１２７】
ＶR＞ＶR-THであれば（ステップＳ２０１のＹｅｓ）、第１実施例の図２と同じＱＢＥＲチェック手順（ステップＳ１０２〜Ｓ１０９）を実行する。このように、ステップＳ２０１において生鍵生成速度に異常が無いことを確認した上で、第１実施例で説明したＱＢＥＲ検査を開始する。
【０１２８】
なお、ＱＢＥＲや生鍵の共有速度ＶRは確率的に定まる値であり有限の偏差を有する。したがって閾値を設定して「この値を超えると障害」と判断するだけではなく、「複数回連続して閾値を超えると障害」といった判断も必要である。
【０１２９】
（１）変調・検出位相ずれ
既に述べたように、光子検出器ＡＰＤ０、ＡＰＤ１は、単一光子を受光するためにゲートモードで使用されるが、一般的に、ＡＰＤにゲート電圧を印加し始めた直後に光子が入射するようにタイミング調整するとＡＰＤ内部で最も雪崩増倍が起こりやすくなることが知られている。光子入射のタイミングとＡＰＤへのゲート電圧印加タイミングとがずれると、その分、雪崩増倍が減少し、出力電流も減少して光子カウント数が低下する。光子カウント数の低下は生鍵生成速度の劣化を意味する。
【０１３０】
一方、使用する光学系によっては、Ａｌｉｃｅでの変調タイミングがずれると、Ｂｏｂに戻ってくる光子パルスのタイミングがずれる。次に、この現象について説明する。
【０１３１】
図１１（Ａ）は、図１に示す量子暗号鍵配布システムの光学系において交互シフト位相変調が正しい効果を現した場合の説明図であり、（Ｂ）は正しい効果を現していない場合の説明図である。送信器の量子ユニットの光学系には、非特許文献７に記載のＰＢＳループミラー構成が採用されている。
【０１３２】
本方式は非特許文献４に記載されたＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式を改良したものであり、光学系の温度依存性を解消することができる。まず、Ａｌｉｃｅ側でσx(Pauli行列)の偏波回転を与えることによって伝送路３０における偏波依存の擾乱を打ち消し、なおかつ自動的に光学干渉計の光路差調整を行う。ここでσxの偏波回転を与える方法としてＰＢＳループミラーを構成し、両側から位相変調器１０１に入射する光子パルスに対して与える変調の深さをπ違える。
【０１３３】
ここでの位相差πによってσxの偏波回転が実現できているときには、図１１（Ａ）に示すように、Ｂｏｂから出射する時の光子パルスの偏光方向とＢｏｂに戻ってきた時の光子パルスの偏光方向とは直交する。したがって、既に述べたように、往路で短いパスＰSを通過した光子パルスは復路では長いパスＰLを通過し、逆に往路で長いパスＰLを通過した光パルスは復路では短いパスＰSを通過するので光路差調整の必要が無くなる。
【０１３４】
ところが、ＰＢＳループミラーで与える位相差πの値がずれると、図１１（Ｂ）に示すように、Ｂｏｂから出射する時の光子パルスの偏光方向とＢｏｂに戻ってきた光子パルスの偏光方向とが直交せず、往路で短いパスＰSを通った光子パルスが復路でも短いパスＰSを通ったり、往路で長いパスＰLを通った光子パルスが復路でも長いパスＰLを通ったりする。この場合には、光子パルスの光路が正常時とは大きく異なるので、光子検出器ＡＰＤに光子パルスが到着するタイミングがずれ、光子カウント数が減少し、生鍵生成速度も劣化する。以上のように、Ａｌｉｃｅでの変調タイミングにずれが生じた場合にも生鍵生成速度の劣化が発生する。
【０１３５】
以上の位相ずれは変調／検出位相を再設定すれば元の生鍵生成速度に戻る問題であるから、本障害を検出した際には位相補正処理を実行する。
【０１３６】
（２）光源・受光器障害
レーザ光源２０２や光子受信器ＡＰＤに不具合が生じた場合ももちろん生鍵生成速度は劣化する。第１実施例でも記載したように、レーザ光源のエネルギー変換効率、光子受信器ＡＰＤの光電変換効率の劣化やバイアス電圧の低下などによって光子カウント数は低下する。この低下は生鍵生成速度の劣化に対応する。
【０１３７】
以上のようなデバイスそのものの劣化による生鍵生成速度の劣化は復旧機構によって回復するものではないので、本障害を検出した時にはアラームを上げ暗号鍵の生成を停止する。
【０１３８】
（３）生鍵生成速度閾値ＶR-TH
生鍵生成速度閾値ＶR-THは、初期設定時の速度にばらつきを考慮して決定される。たとえば、生鍵生成速度１００００ｂｉｔ／ｓの場合、統計的に１００ｂｉｔ／ｓ（σ＝１００）程度のばらつきが生じる。したがって、閾値を３σ範囲とすれば、生鍵生成速度閾値ＶR-THは、１００００×０．９７＝９７００ｂｉｔ／ｓに設定される。
【０１３９】
（４）変形例
図１０に示す監視制御では、鍵生成速度に関する障害検出および復旧機構（ステップＳ２０１〜Ｓ２０５）をＱＢＥＲに関するそれら（ステップＳ１０２〜Ｓ１０９）の前段に配置したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【０１４０】
図１２は本発明の第２実施例の変形例による監視制御方法を示すフローチャートである。この変形例では、ＱＢＥＲに関する障害検出/復旧（ステップＳ１０２〜Ｓ１０９）を行った後に、鍵生成速度に関する障害検出/復旧（ステップＳ２０１、Ｓ２０２、Ｓ２０５）が実行される。
【０１４１】
詳しくは、ステップＳ２０１においてＶR＞ＶR-THとなるまで、位相補正処理（Ｓ１０５）、フレーム同期処理（Ｓ１０４）および判断処理Ｓ１０７、Ｓ１０２〜Ｓ１０３）がＭ回連続して繰り返えされる。それでも改善されない場合には（ステップＳ２０２０のＹｅｓ）、暗号鍵生成を中断する（ステップＳ２０５）。その際、盗聴の可能性があることを示すアラームを生成することが望ましい。
【０１４２】
なお、上記第２実施例では生鍵生成速度をモニタしたが、本発明はこれに限られるものではない。選別鍵生成速度や最終鍵生成速度をモニタして各障害を検出することも同様の手順で可能である。
【０１４３】
なお、上述した監視制御は送信器１０の制御部１０７および受信器２０の制御部２１１のいずれで実行してもよい。
【０１４４】
（５）効果
本発明の第２実施例によれば、ＱＢＥＲ劣化の監視に加えて生鍵生成速度も監視しシステムの障害検出を行うので、第１実施例の効果に加えて、さらに効率的な暗号鍵生成を行うことができる。特に暗号鍵の生成速度の劣化を監視できるので、全体として暗号鍵生成効率をさらに向上させることができる。
【実施例３】
【０１４５】
本発明の第３実施例ではＱＢＥＲの変化量をモニタして障害要因の切り分けを行う。本発明の第３実施例を適用する量子暗号鍵配布システムは、受信器２０のモニタ２１２がＱＢＥＲの変化量の計算を行う点を除いて、基本的に図１のシステム構成と同様である。
【０１４６】
図１３は本発明の第３実施例による通信ネットワークの監視制御方法を示すフローチャートである。ただし、第１実施例と同様のステップには同じ参照符号を付して説明は省略する。
【０１４７】
図１３において、モニタ２１２は上述したようにＱＢＥＲを監視し、メモリ２１３に蓄積された過去のＱＢＥＲとの差分を計算してＱＢＥＲ変化量（ｄＱＢＥＲ／ｄｔ）を算出する。制御部２１１はＱＢＥＲ変化量を所定時間間隔で監視する。まず、算出されたＱＢＥＲ変化量ｄＱＢＥＲ／ｄｔとフレーム同期処理用の変化量閾値Ｐbitとが比較され（ステップＳ３０１）、ｄＱＢＥＲ／ｄｔがＰbit以下であれば、さらに位相補正処理用の変化量閾値Ｐphaseと比較される（ステップＳ３０２）。ｄＱＢＥＲ／ｄｔがＰphase以下であれば（ステップＳ３０２のＹｅｓ）、後続する鍵生成フロー、ここでは誤り訂正、残留誤り検出および秘匿増強の各処理が実行される（ステップＳ１０４）。
【０１４８】
これに対して、ｄＱＢＥＲ／ｄｔがＰbit以下であるが（ステップＳ３０１のＮｏ）、ｄＱＢＥＲ／ｄｔ＞Ｐphaseである場合には（ステップＳ３０２のＹｅｓ）、位相補正処理が実行され（ステップＳ１０５）、さらにフレーム同期処理が実行される（ステップＳ１０６）。また、ｄＱＢＥＲ／ｄｔ＞Ｐbitであれば（ステップＳ３０１のＹｅｓ）、フレーム同期処理が実行される（ステップＳ１０６）。その他の処理は、第１実施例の図２（Ａ）と同様である。なお、第２実施例の生鍵生成速度のチェックを上記第２実施例のステップに付加することもできる。
【０１４９】
なお、ＱＢＥＲは確率的に定まる値であり有限の偏差を有する。したがって閾値を設定して「この値を超えると障害」と判断するだけではなく、「複数回連続して閾値を超えると障害」といった判断も必要である。
【０１５０】
（１）フレーム同期ずれと変調／検出位相ずれ
図１４（Ａ）はフレーム同期ずれが生じた時のＱＢＥＲ測定値の変化と復旧によるＱＢＥＲ改善の様子を表したグラフであり、（Ｂ）は変調／検出位相ずれが生じた場合のＱＢＥＲ測定値の変化と復旧によるＱＢＥＲ改善の様子を表したグラフである。
【０１５１】
これらのグラフより明らかなように、変調／検出位相ずれによるＱＢＥＲ劣化は緩やかであるのに対し、フレーム同期ずれによるＱＢＥＲ劣化は急激である。これは、フレーム同期ずれの主な要因が計算機の処理エラーや通信エラーであり、全く相関の無いビット列を比較してＱＢＥＲを計算する状態になるからである。すなわち、１ビットでもビット認識がずれると即時にＱＢＥＲは劣化する。
【０１５２】
これに対して、変調/検出位相ずれの主な要因は、温度変化による光伝送路や電気回路の遅延変動であり、変化そのものが緩やかであるのに加えて、変調／検出用の位相が多少変化しても変調信号や光子受信器のゲート信号には多少の変遷時間（立上がり/立下り）があるので、いきなり変調がかからなくなったり受光ゲートから外れたりすることが無い為である。従って、ＱＢＥＲの時間微分をモニタすることにより、微分値の大きいときにはフレーム同期ずれ、小さい時には変調／検出位相ずれ、と障害要因を特定することができる。
【０１５３】
（２）閾値ＰbitとＰphase
図１４（Ａ）に示すように、フレーム同期ずれによるＱＢＥＲ劣化は急激であり、鍵生成が可能な状態(ＱＢＥＲ〜５％)から一気に５０％近くまで劣化する。本例では、１秒間にＱＢＥＲが４５％程度上昇している。これに対して、図１４（Ｂ）に示すように、変調／検出位相ずれによるＱＢＥＲ劣化は緩やかであり、本例では、７分間にＱＢＥＲは５％程度上昇するだけである。
【０１５４】
したがって、フレーム同期処理用の変化量閾値Ｐbit＝ΔＱＢＥＲ／Δｔとして〜４５％／ｓを設定し、位相補正処理用の変化量閾値Ｐphase＝ΔＱＢＥＲ／Δｔとして〜０.０１％／ｓを設定しておけば、十分両者を識別することができる。
【０１５５】
なお、本実施例では、障害要因を特定するためにＱＢＥＲの時間微分値を監視したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特定時間内のＱＢＥＲ変化を監視してその挙動によって障害要因を切り分ける構成であればよい。たとえば、ある期間内でのＱＢＥＲの変化量そのものや、ＱＢＥＲの変化を区分的に１次式でフィッティングした結果を用いて同様の監視制御を行うこともできる。
【０１５６】
なお、上述した監視制御は送信器１０の制御部１０７および受信器２０の制御部２１１のいずれで実行してもよい。
【０１５７】
（３）効果
本発明の第３実施例によれば、ＱＢＥＲの変化量を監視することでシステムの障害の種類を検出するので、第１実施例の効果に加えて、安定した信頼性のある障害検出を行うことができる。
【実施例４】
【０１５８】
本発明の第４実施例では、変調／検出位相補正を送信器１０と受信器２０で別々に行う。図１に示す様な往復型のシステムの場合、既に説明したように、クロック系統も単一光子状態の光子パルスと並走して受信器２０より送信され、送信器１０で折り返し、受信器２０へ戻ってくる。
【０１５９】
光子パルスとクロック信号は波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）技術によって合波され伝送路３０を伝播するので、温度変化に伴う伝送路３０の伸縮による光子パルスとクロック信号のタイミングずれは殆ど生じないが、装置内の電気回路は別線とならざるをえず、温度変化によって両信号の遅延差が変動する。ここで、送信器１０で位相変調器１０１に与える位相変調用クロックと比べて、受信器２０で光子検出器ＡＰＤ０、ＡＰＤ１に与える光子検出用クロックの方が伝播距離が長い。このために受信器２０の光子検出器ＡＰＤの駆動タイミングと光子パルスのタイミングとのずれが大きくなる。
【０１６０】
そこで、本実施例では、位相補正が必要になると、最初に受信器２０（Ｂｏｂ）の位相補正処理を行い、それで改善されなかった場合に送信器１０（Ａｌｉｃｅ）の位相補正処理を行うという手順を採用する。以下、具体的の手順を説明する。
【０１６１】
図１５は本発明の第４実施例による通信ネットワークの監視制御方法を示すフローチャートである。ただし、第１実施例と同様のステップには同じ参照符号を付して説明は省略する。上述したようにステップＳ１０３においてＱＢＥＲが位相補正処理用の閾値Ｑphase以上に悪化していると判断された場合には、制御部２１１は受信器２０側の位相制御部２１０を制御して位相補正処理を実行する（ステップＳ４０１）。
【０１６２】
受信器２０の位相補正処理Ｓ４０１が終了すると、制御部２１１は、再度、ＱＢＥＲと位相補正処理用の閾値Ｑphaseとを比較する（ステップＳ４０２）。ＱＢＥＲが改善されていれば（ＱＢＥＲ＜Ｑphase）、続いてフレーム同期処理を実行し（ステップＳ１０６）、以下既に説明したように処理される。ステップＳ４０２においてＱＢＥＲが改善されていないと判断されると（ステップＳ４０２のＮｏ）、制御部２１１は送信器１０の制御部１０７へ指示して位相補正処理を実行させ（ステップＳ４０３）、続いてフレーム同期処理を実行し（ステップＳ１０６）、以下既に説明したように処理される。
【０１６３】
以上の様に、ＱＢＥＲ劣化が生じた際、まずＢｏｂ側の光子検出用クロック位相の補正を先に行うことにより、位相補正に要する時間を短縮することができ、効率良く位相補正を施すことができる。
【０１６４】
なお、上述した監視制御は送信器１０の制御部１０７および受信器２０の制御部２１１のいずれで実行してもよい。
【実施例５】
【０１６５】
本発明は、上記実施例の往復型だけでなく、単一方向型の量子暗号鍵配布システムにも同様に適用することができる。
【０１６６】
図１６は本発明の第５実施例による単一方向型量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。ただし、本実施例の動作に関係するモニタやメモリおよび制御系は図１に示すものと同様であるから同一参照番号を付している。
【０１６７】
本実施例による量子暗号鍵配布システムにおいて、送信器（Ａｌｉｃｅ）４０と受信器（Ｂｏｂ）５０とは光ファイバ伝送路３０によって光学的に接続され、レーザ光源４０１およびクロック源４０３は送信器４０に設けられている。
【０１６８】
レーザ光源４０１はクロック源４０３から供給される基準クロックに従って光パルス列を出射する。光パルスは光カプラ４０２で２分割され、一方のパルスＰ１は短いパスに設けられた位相変調器４０５によって位相変調されて光カプラ４０６へ到達し、他方のパルスＰ２は長いパス４０７を通って光カプラ４０６に到達する。したがって、位相変調された光パルスＰ１*Aと遅延した光パルスＰ２とが時間的に相前後したダブルパルスとなり、可変光減衰器４０８および波長合分波器４０９を通して伝送路３０へ送出される。
【０１６９】
位相制御部４０４はクロック源４０３からの基準クロックに従って位相変調器４０５へ位相制御信号を出力し、それに従って位相変調器４０５は通過する光パルスＰ１に位相変調を施す。位相変調の深さは、第１実施例で述べたようにメモリ１０９に格納された（乱数、基底）の組み合わせに依存する。また、クロック源４０３の基準クロックは光送信器４１０によりレーザ源４０１とは異なる波長の光信号として波長合分波器４０９を通して伝送路３０へ送出される。なお、第１実施例と同様に、送信器４０の制御部１０７と受信器５０の制御部２１１とは、光送受信器１０８および２１５を通して同様の波長多重伝送によりフレーム同期や位相補正に必要なデータや制御信号等をやり取りする。
【０１７０】
受信器５０では、光パルスＰ１*Aおよび光パルスＰ２が波長合分波器５０１を通して送信器４０と同様の光学系に入射する。すなわち、それぞれの光パルスは、光カプラ５０２により２分割され、送信器４０と同様の短いパスに設けられた位相変調器５０３と長いパス５０４とを通して光カプラ５０７で合波する。この場合、送信器４０と受信器５０との間の変調の深さの差に依存して光検出器ＡＰＤ０あるいはＡＰＤ１の一方で光パルスが検出できるのは、送信器４０の短いパス（位相変調器４０５）および受信器５０の長いパス５０４を通った光パルスＰ１*Aと、送信器４０の長いパス４０７および受信器５０の短いパス（位相変調器５０３）を通った光パルスＰ２*Bとが同時に光カプラ５０７に到達し干渉する場合である。
【０１７１】
位相制御部５０６は、送信器４０から光受信器５０５を通して受信した基準クロックに従って位相変調器５０３へ位相制御信号を出力し、それに従って位相変調器５０３は通過する光パルスに位相変調を施す。位相変調の深さは、第１実施例で述べたようにメモリ２１４に格納された基底に依存する。
【０１７２】
こうして光検出器ＡＰＤ０およびはＡＰＤ１により検出されたデータはモニタ２１２を通してメモリ２１３に書き込まれる。モニタ２１２および制御部２１１の監視制御は、上述した実施例で説明したとおりであり、それらの効果も同様である。
【０１７３】
本実施例による単一方向型システムにおいても、クロック系統は単一光子状態の光子パルスと並走して送信器４０より受信器５０へ送られる構成が採られている。従って、上述した第４実施例と同様に、送信器４０側で位相変調器４０５に与える位相変調用クロックと比べて、受信器５０で光子検出器ＡＰＤ０、ＡＰＤ１に与える光子検出用クロックの方が伝播距離が長いので光子パルスのタイミングとのずれが大きくなる。
【０１７４】
また、位相変調用のクロックはシステム周波数の数倍程度であるから、現時点での最高速度である６２．５ＭＨｚのシステムでも２５０ＭＨｚ（４ｎｓ）程度の精度が必要となるのに対して、一般的にゲートモードで駆動する光子検出器ＡＰＤに与えるクロックには数百ｐｓのタイミング精度が要求される。この為、単一方向のシステムであっても、受信器５０における光子検出位相のずれの方が、ＱＢＥＲ劣化の要因として支配的になる。したがって、単一方向システムにおいても、ＱＢＥＲ劣化が生じた際、まずＢｏｂ側の光子検出用クロック位相の補正を先に行うことにより、位相補正に要する時間を短縮することができ、効率良く位相補正を施すことができる。
【０１７５】
なお、上述した監視制御は送信器４０の制御部１０７および受信器５０の制御部２１１のいずれで実行してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１７６】
本発明は、量子暗号鍵配布技術に代表される共通暗号鍵配布技術を用いた高秘匿通信に利用可能である。量子暗号鍵配布方法は、単一方向型・往復型を問わない。
【図面の簡単な説明】
【０１７７】
【図１】本発明の第１実施形態によるＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。
【図２】（Ａ）は本発明の第１実施例による通信ネットワークの監視制御方法を示すフローチャートであり、（Ｂ）は誤り率ＱＢＥＲの変化に応じた位相補正およびフレーム同期処理の一例を示す模式的グラフである。
【図３】量子暗号鍵配布システムにおける装置間および装置内の伝搬遅延によりビット番号がずれる様子を示した模式図である。
【図４】装置間アドレス差分ＧDと装置内アドレス差分ＧIとが共に正しい場合のビット対応を示す模式図である。
【図５】装置間アドレス差分ＧDが正しくない場合のビット対応を示す模式図である。
【図６】（Ａ）は装置内アドレス差分ＧIが正しくない場合のビット対応を示す模式図であり、（Ｂ）はこの場合のＱＢＥＲの推定範囲を説明するための図である。
【図７】送信器および受信器の間で行われるフレーム同期処理の過程を示すシーケンス図である。
【図８】本発明によるフレーム同期処理の一例を示すフローチャートである。
【図９】本発明によるフレーム同期処理の他の例を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第２実施例による通信ネットワークの監視制御方法を示すフローチャートである。
【図１１】（Ａ）は、図１に示す量子暗号鍵配布システムの光学系において交互シフト位相変調が正しい効果を現した場合の説明図であり、（Ｂ）は正しい効果を現していない場合の説明図である。
【図１２】本発明の第２実施例の変形例による監視制御方法を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の第３実施例による通信ネットワークの監視制御方法を示すフローチャートである。
【図１４】（Ａ）はフレーム同期ずれが生じた時のＱＢＥＲ測定値の変化と復旧によるＱＢＥＲ改善の様子を表したグラフであり、（Ｂ）は変調／検出位相ずれが生じた場合のＱＢＥＲ測定値の変化と復旧によるＱＢＥＲ改善の様子を表したグラフである。
【図１５】本発明の第４実施例による通信ネットワークの監視制御方法を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第５実施例による単一方向型量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。
【図１７】ＢＢ８４プロトコルによる量子暗号鍵配布方法の概念を示す模式図である。
【図１８】一般的な量子暗号鍵生成の流れを示すフローチャートである。
【図１９】従来の監視制御方法の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１７８】
１０  送信器（Ａｌｉｃｅ）
２０  受信器（Ｂｏｂ）
３０  光ファイバ伝送路
１０１  位相変調器
１０２  偏光ビームスプリッタ
１０３  可変光減衰器
１０４  位相制御部
１０５  光受信器
１０６  光送信器
１０７  制御部
１０８  光送受信器
１０９  メモリ
１１０  波長合分波器
２０１  クロック源
２０２  レーザ源
２０３  光サーキュレータ
２０４  光カプラ
２０５  位相変調器
２０６  偏光ビームスプリッタ
２０７  波長合分波器
２０８  光送信器
２０９  光受信器
２１０  位相制御部
２１１  制御部
２１２  モニタ
２１３  メモリ
２１４  メモリ
２１５  光送受信器
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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