(57)【要約】【課題】乱数の品質レベルを迅速に制御することができる乱数品質管理装置を提供する。【解決手段】乱数信号を“０”および“１”出力部１、２で受信して乱数を生成する際、“０”および“１”の個数の偏りを乱数品質モニタ４で監視し、所望の割合からの逸脱があれば、それを補償するように駆動制御部６が“０”および“１”出力部１、２のそれぞれの受信特性を個別に制御する。共有乱数のマーク率を５０％に保持することで送信機と受信機の間で盗聴される情報量を低減できる。【選択図】図１
2007187698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
乱数の品質を管理する装置において、
前記乱数を構成する複数の値をそれぞれ個別に出力する出力手段と、
前記複数の値の個数の割合を計算する計算手段と、
前記割合が所望値になるように前記出力手段の特性を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする乱数品質管理装置。
【請求項２】
前記出力手段は、前記乱数から前記複数の値を弁別する弁別手段であることを特徴とする請求項１に記載の乱数品質管理装置。
【請求項３】
前記出力手段は前記複数の値を検出し、それぞれの検出信号を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の乱数品質管理装置。
【請求項４】
前記制御手段は前記複数の値のそれぞれの割合が等しくなるように前記特性を制御することを特徴とする請求項１に記載の乱数品質管理装置。
【請求項５】
前記出力手段は、前記乱数を情報として含む信号を入力し前記複数の値をそれぞれ個別に出力する複数の受信器を有することを特徴とする請求項１に記載の乱数品質管理装置。
【請求項６】
乱数の品質を管理するシステムにおいて、
伝送路を介して第１通信器から第２通信器へ乱数信号を送信することで前記第１通信器と前記第２通信器との間で共有された乱数の品質を監視する乱数品質監視手段と、
前記乱数の品質に基づいて前記乱数信号を受信する受信器の受信特性を変更する制御手段と、
を有することを特徴とする乱数品質管理システム。
【請求項７】
前記乱数品質監視手段は前記乱数を構成する複数の値の個数の割合を監視することを特徴とする請求項６に記載の乱数品質管理システム。
【請求項８】
前記制御手段は前記割合が所望値になるように前記受信器の受信特性を制御することを特徴とする請求項７に記載の乱数品質管理システム。
【請求項９】
前記所望値は前記複数の値のそれぞれの割合が等しくなる割合であることを特徴とする請求項８に記載の乱数品質管理システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記受信器の受信効率を制御することを特徴とする請求項６−９のいずれか１項に記載の乱数品質管理システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記受信器の受信信号を識別する閾値を制御することを特徴とする請求項６−９のいずれか１項に記載の乱数品質管理システム。
【請求項１２】
前記乱数品質監視手段は前記第１通信器および前記第２通信器の少なくとも一方に設けられたことを特徴とする請求項６に記載の乱数品質管理システム。
【請求項１３】
前記乱数品質監視手段および前記制御手段は前記第２通信器に設けられたことを特徴とする請求項６に記載の乱数品質管理システム。
【請求項１４】
前記乱数品質監視手段は前記第１通信器に設けられ、前記制御手段は前記第２通信器に設けられたことを特徴とする請求項６に記載の乱数品質管理システム。
【請求項１５】
前記第１通信器は、
生成される乱数に従ってキャリア信号を変調することで前記乱数信号を生成する変調手段と、
前記乱数品質監視手段により監視された前記乱数品質に基づいて前記変調手段の変調特性を変更する第２の制御手段と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の乱数品質管理システム。
【請求項１６】
伝送路を通して乱数信号を受信し乱数を格納する受信機において、
前記乱数信号を受信する受信手段と、
前記乱数信号から得られた前記乱数の品質を監視する乱数品質監視手段と、
前記乱数の品質に基づいて前記受信手段の受信特性を変更する制御手段と、
を有することを特徴とする受信機。
【請求項１７】
前記乱数品質監視手段は前記乱数を構成する複数の値の個数の割合を監視することを特徴とする請求項１６に記載の受信機。
【請求項１８】
前記制御手段は前記割合が所望値になるように前記受信手段の受信特性を制御することを特徴とする請求項１７に記載の受信機。
【請求項１９】
前記所望値は前記複数の値のそれぞれの割合が等しくなる割合であることを特徴とする請求項１８に記載の受信機。
【請求項２０】
前記受信手段は印加電圧により受光特性が変化する受光素子であり、前記制御手段は前記乱数の品質に基づいて前記印加電圧を制御することを特徴とする請求項１６に記載の受信機。
【請求項２１】
前記印加電圧は前記受光素子に印加されるバイアス電圧であることを特徴とする請求項２０に記載の受信機。
【請求項２２】
前記印加電圧は前記受光素子に印加されるパルス状電圧のパルス高であることを特徴とする請求項２０に記載の受信機。
【請求項２３】
前記受信手段は、前記乱数信号の入射タイミングとパルス状印加電圧のタイミングとに依存して受光特性が変化する受光素子であり、前記制御手段は前記乱数の品質に基づいて前記パルス状印加電圧のタイミングを制御することを特徴とする請求項１６に記載の受信機。
【請求項２４】
前記受信手段は前記乱数信号を識別する閾値により受信特性が変化する受信器であり、  前記制御手段は前記乱数の品質に基づいて前記受信器の閾値を制御することを特徴とする請求項１６に記載の受信機。
【請求項２５】
伝送路を通して受信機へ乱数信号を送信して受信機との間で乱数を共有する送信機において、
原乱数を生成する乱数生成手段と、
前記原乱数に従って前記乱数信号を生成し前記受信機へ送信する第１送信手段と、
前記原乱数と前記受信機との間で共有した乱数とに基づいて前記共有された乱数の品質を監視する乱数品質監視手段と、
前記共有された乱数の品質に基づいて前記受信機の受信特性を制御するために前記乱数品質を前記受信機へ送信する第２送信手段と、
を有することを特徴とする送信機。
【請求項２６】
伝送路を通して受信機へ乱数信号を送信して受信機との間で乱数を共有する送信機において、
原乱数を生成する乱数生成手段と、
前記原乱数に従ってキャリア信号を変調することで前記乱数信号を生成する変調手段と、
前記乱数信号を受信することで前記共有された乱数の品質を監視する受信機から前記共有された乱数の品質情報を受信する受信手段と、
前記受信機から受信した前記乱数品質に基づいて前記変調手段の変調特性を変更する制御手段と、
を有することを特徴とする送信機。
【請求項２７】
乱数の品質を管理する方法において、
前記乱数を構成する複数の値をそれぞれ個別の特性に応じてそれぞれ出力し、
所定量の前記乱数を蓄積し、
前記所定量の乱数を構成する前記複数の値の個数の割合を生成し、
前記割合が所望値になるように前記個別の特性を変更する、
ことを特徴とする乱数品質管理方法。
【請求項２８】
前記個別の特性は前記複数の値のそれぞれの割合が等しくなるように制御されることを特徴とする請求項２７に記載の乱数品質管理方法。
【請求項２９】
第１通信器と第２通信器との間で共有された乱数の品質を管理する方法において、
伝送路を介して前記第１通信器から前記第２通信器へ乱数信号を送信し、
前記乱数信号に基づいて前記第１通信器と前記第２通信器との間で乱数を共有し、
前記共有乱数の品質を監視し、
前記乱数の品質に基づいて前記乱数信号を受信する受信器の受信特性を変更する、
ことを特徴とする乱数品質管理方法。
【請求項３０】
前記共有乱数の品質は前記乱数を構成する複数の値の個数の割合であることを特徴とする請求項２９に記載の乱数品質管理方法。
【請求項３１】
前記割合が所望値になるように前記受信器の受信特性が変更されることを特徴とする請求項３０に記載の乱数品質管理方法。
【請求項３２】
前記所望値は前記複数の値のそれぞれの割合が等しくなる割合であることを特徴とする請求項３１に記載の乱数品質管理方法。
【請求項３３】
伝送路を通して乱数信号を受信し乱数を格納する受信機の乱数品質管理方法において、
前記乱数信号を受信器により受信し、
前記乱数信号から得られた前記乱数の品質を監視し、
前記乱数の品質に基づいて前記受信器の受信特性を変更する、
ことを特徴とする受信機の乱数品質管理方法。
【請求項３４】
前記乱数の品質は前記乱数を構成する複数の値の個数の割合であることを特徴とする請求項３３に記載の受信機の乱数品質管理方法。
【請求項３５】
前記割合が所望値になるように前記受信器の受信特性を制御することを特徴とする請求項３４に記載の受信機の乱数品質管理方法。
【請求項３６】
前記所望値は前記複数の値のそれぞれの割合が等しくなる割合であることを特徴とする請求項３５に記載の受信機の乱数品質管理方法。
【請求項３７】
伝送路を通して受信機へ乱数信号を送信して受信機との間で乱数を共有する送信機の乱数品質管理方法において、
原乱数を生成し、
前記原乱数に従って前記乱数信号を生成し前記受信機へ送信し、
前記原乱数と前記受信機との間で共有した乱数とに基づいて前記共有された乱数の品質を監視し、
前記共有された乱数の品質に基づいて前記受信機の受信特性を制御するために前記乱数品質を前記受信機へ送信する、
ことを特徴とする送信機の乱数品質管理方法。
【請求項３８】
伝送路を通して受信機へ乱数信号を送信して受信機との間で乱数を共有する送信機の乱数品質管理方法おいて、
原乱数を生成し、
前記原乱数に従ってキャリア信号を変調することで前記乱数信号を生成し、
前記乱数信号を受信することで前記共有された乱数の品質を監視する受信機から前記共有された乱数の品質情報を受信し、
前記受信機から受信した前記乱数品質に基づいて前記キャリア信号の変調特性を変更する、
ことを特徴とする送信機の乱数品質管理方法。
【請求項３９】
コンピュータに乱数の品質を管理させるプログラムにおいて、
前記乱数を構成する複数の値がそれぞれ個別の特性に応じて生成され、それらをそれぞれ入力するステップと、
所定量の前記乱数を蓄積するステップと、
前記所定量の乱数を構成する前記複数の値の個数の割合を生成するステップと、
前記割合が所望値になるように前記個別の特性を変更するステップと、
を有することを特徴とする乱数品質管理プログラム。
【請求項４０】
コンピュータに、伝送路を通して乱数信号を受信し乱数を格納する受信機の乱数品質管理を実行させるためのプログラムにおいて、
前記乱数信号を受信器により受信するステップと、
前記乱数信号から得られた前記乱数の品質を監視するステップと、
前記乱数の品質に基づいて前記受信器の受信特性を変更するステップと、
を有することを特徴とする受信機の乱数品質管理プログラム。
【請求項４１】
コンピュータに、伝送路を通して受信機へ乱数信号を送信して受信機との間で乱数を共有する送信機の乱数品質管理を実行させるためのプログラムにおいて、
原乱数を生成するステップと、
前記原乱数に従って前記乱数信号を生成し前記受信機へ送信するステップと、
前記原乱数と前記受信機との間で共有した乱数とに基づいて前記共有された乱数の品質を監視するステップと、
前記共有された乱数の品質に基づいて前記受信機の受信特性を制御するために前記乱数品質を前記受信機へ送信するステップと、
を有することを特徴とする送信機の乱数品質管理プログラム。
【請求項４２】
コンピュータに、伝送路を通して受信機へ乱数信号を送信して受信機との間で乱数を共有する送信機の乱数品質管理を実行させるためのプログラムにおいて、
原乱数を生成するステップと、
前記原乱数に従ってキャリア信号を変調することで前記乱数信号を生成するステップと、
前記乱数信号を受信することで前記共有された乱数の品質を監視する受信機から前記共有された乱数の品質情報を受信するステップと、
前記受信機から受信した前記乱数品質に基づいて前記キャリア信号の変調特性を変更するステップと、
を有することを特徴とする送信機の乱数品質管理プログラム。
【請求項４３】
請求項１に記載の乱数品質管理装置を有する乱数発生器
【請求項４４】
請求項６に記載の乱数品質管理システムを有する量子暗号鍵配布システム。
【請求項４５】
請求項２７に記載の乱数品質管理方法を実行する乱数発生器
【請求項４６】
請求項２９に記載の乱数品質管理方法を実行する量子暗号鍵配布システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は乱数を生成する技術にかかり、特に乱数の品質を管理するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年急激な成長を続けてい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いる。このために、通信の秘密を保持する高度な暗号技術の必要性が益々高まっている。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とに分類される。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】
量子暗号鍵配布システム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。Heisenbergの不確定性原理により一度観測されてしまった光子は完全に観測前の量子状態に戻すことが不可能となるから、伝送路の盗聴者が伝送中の光子をタッピングする等して情報を盗み見ると、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者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、送信機と受信機(以下、それぞれＡｌｉｃｅとＢｏｂと称する)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従ってＢｏｂ側の光子受信器０あるいは光子受信器１から出力が得られる。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。以下、非特許文献１に記載された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。
【０００５】
図２０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Ａｌｉｃｅ（送信機）１９１とＢｏｂ（受信機）１９３とが光伝送路１９２で接続されているものとする。この方法では、Ａｌｉｃｅ１９１が乱数源を２つ持ち、一方の乱数１で０／１の暗号鍵データを表し、他方の乱数２で乱数１の情報をコーディングする方法を決定する。光子の位相を利用する場合、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」と記す。）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」と記す。）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に４通りの変調をランダムに施してＢｏｂへと送信する。
【０００６】
一方Ｂｏｂでは基底に対応する乱数源（乱数３）を持ち、Ａｌｉｃｅ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。ここでは光学干渉計出力として得られた乱数を乱数４とする。
【０００７】
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為、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為、ＡｌｉｃｅとＢｏｂとは乱数１に対応する０／１ビット列を共有することができる。
【０００８】
図２１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は、量子暗号鍵配布(単一光子伝送)Ｓ１８１によって大部分の情報量が失われる。この段階でＡｌｉｃｅとＢｏｂとで共有されている鍵を生鍵(Raw Key)と呼び、基底照合Ｓ１８２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(Error Correction)Ｓ１８３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(Privacy Amplification)Ｓ１８４とを経て、残ったデータが実際に暗号鍵として使用される最終鍵となる。秘匿増強過程において、盗聴者に漏洩していると想定される情報量を見積もる為の理論としては、非特許文献２や非特許文献３などの数多くの文献が知られている。
【０００９】
図２２は一般的な秘匿増強方式を説明するための図である。まず、選別鍵をＮビット毎に区切り、Ｍ×Ｎの乱数行列との行列積を計算し、この計算結果のＭビット（Ｎ＞Ｍ）を最終鍵として得る。ここで、ＭビットとＮビットの関係は、盗聴者Ｅｖｅに漏洩していると考えられる情報量により定める。漏洩情報量は非特許文献２や非特許文献３に記載された方法によって、選別鍵の誤り率に基づいて求めることができる。たとえば、Ｅｖｅへの漏洩情報量が４０％と推定されるときには、Ｍ／Ｎ＝１−０．４＝０．６に設定される。
【００１０】
【非特許文献１】"Quantum Cryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing" IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, pp.175-, December 10-12, 1984, Bennett, Brassard
【非特許文献２】"Estimates for practical quantum cryptography", Physical Review A, Vol.59, No.5, May 1999, pp.3301-, N. Lutkenhaus
【非特許文献３】"Eavesdropping on practical quantum cryptography" quantum-ph / 0211155 v1 24 November 2002, M. Williamson and Vlatko Vedral
【非特許文献４】"Coherent-pulse implementations of quantum cryptography protocols resistant to photon-number-splitting attacks" A. Acin et al., Phys. Rev. A. No.69, 012309 (2004)
【非特許文献５】"Quantum cryptography" N. Gisin et al., Rev. Mod. Phys., No.74, pp.145-195
【非特許文献６】"An Autocompensating Fiber-Optic Quantum Cryptography System Based on Polarization Splitting of Light", IEEE J. Quant. Elec., Vol.36, No.3, March 2000, Donald S. Bethune and William P. Risk
【非特許文献７】"Balanced, gated-mode photon detector for quantum-bit discriminationat 1550nm" Optics letters, vol. 27 (2002) pp1827-1829, A. Tomita and K Nakamura
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特に量子暗号鍵配布システムでは、実際には、送信したビット列の一部しか受信側に届かないために、送信された乱数の“０”と“１”の割合が正確に５０％であっても、受信時のビット列の“０”と“１”の割合は５０％からずれている。したがって、“０”と“１”の割合が５０％からずれた生鍵に基づいて選別鍵を生成すれば、選別鍵も５０％からずれてしまう。以下、乱数を構成する数値の個数の割合をマーク率Ｍとし、０／１の乱数の場合、次のように定義する：マーク率Ｍ＝（乱数列中の“１”の個数）／（乱数列の長さ）。
【００１２】
選別鍵のマーク率Ｍが５０％からずれている場合、Ｅｖｅは次のような簡単な方法（マーク率盗聴法）でより多くの情報量を得ることができる。
【００１３】
・Ｅｖｅは、ＡｌｉｃｅとＢｏｂが選別鍵の誤り率を算出するために実行する通信を盗聴し、選別鍵のマーク率を知る。
【００１４】
・マーク率Ｍが５０％以上である場合、Ｅｖｅは自身の保有する暗号鍵（以下、偽選別鍵と称す。）をすべて“１”に、５０％未満である場合はすべて“０”とする。
【００１５】
この操作によって得られるＥｖｅの偽選別鍵と、ＡｌｉｃｅおよびＢｏｂが共有した選別鍵との一致率は、選別鍵のマーク率Ｍが５０％から離れるほど高くなる。例を挙げると、選別鍵のマーク率が６０％の場合、１００ビットの選別鍵中には確率的に“１”が６０ビット、“０”が４０ビット存在する。この場合、Ｅｖｅの偽選別鍵はすべて“１”であるから、１００ビットの内６０ビットが一致し、選別鍵に対する偽選別鍵の誤り率は４０％となる。誤り率をＥとすると、シャノン情報量Ｓは、
Ｓ＝１＋Ｅｌｏｇ2Ｅ＋（１−Ｅ）ｌｏｇ2（１−Ｅ）
で表されることが知られているから、誤り率Ｅ＝４０％の場合、シャノン情報量は約０．０３となる。従って、１００ビットのうち３ビット分の情報がＥｖｅに漏れていることになる。
【００１６】
図２３（ａ）は選別鍵のマーク率に対するマーク率盗聴法によるＥｖｅの情報量の変化を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）のグラフのマーク率５０％付近の拡大図である。マーク率が５０％である場合、Ｅｖｅは１００ビットの偽選別鍵を全て“０”としても全て“１”としても、（さらに、５０％の確率で“０”と“１”を混在させても）、選別鍵との一致率は５０％、つまり誤り率も５０％となり、Ｅｖｅの情報量は０となる。
【００１７】
一方、極端な例では、マーク率が１００％（あるいは０％）であった場合、選別鍵中のすべてのビットが“１”（あるいは“０”）となる為、Ｅｖｅは全てのビットを正しく推定でき、情報量は１となる。
【００１８】
このように、Ｅｖｅは、非特許文献２、３で考慮されている盗聴法や非特許文献４、５に記載された盗聴法によって量子鍵配布（単一光子伝送）に対して盗聴を行い、それによって情報を得られなかったビット、すなわちその情報が“０”か“１”かの判別をつけられなかったビットに対して上記のマーク率盗聴法を追加することにより、より多くのビットの情報を得ることができる。
【００１９】
ただし、上述した秘匿増強過程が理想的であれば、このように選別鍵のマーク率Ｍが５０％からずれている場合であっても最終鍵の安全性を保つことは可能である。しかしながら、実際に安全性を確保しようとすれば、ＡｌｉｃｅとＢｏｂは秘匿増強過程においてより多くの情報を破棄しなければならず、その結果、暗号鍵の生成速度が低下してしまう。
【００２０】
図２３（ｂ）のグラフから明らかなように、マーク率が５０％からずれるとＥｖｅの情報量は即座に上昇している。したがって、量子暗号鍵配布においては、秘匿増強過程に入いる前の乱数のマーク率が厳密に５０％であることが望ましい。乱数のマーク率を５０％にする方法としては次のようなものが知られている。
【００２１】
（１）Von Neumann Unbiasing方法
Von Neumann Unbiasing方法は、乱数のマーク率を５０％にするための一般的な方法として知られている。この方法では、入力乱数を２ビット毎に区切って、“００”、“１１”を破棄し、“０１”および“１０”を新たに“０”および“１”に設定することによって、処理前の乱数のマーク率が５０％から離れていても処理後の乱数のマーク率を５０％にすることができる。しかしながら、この方式は入力乱数量に比べて出力量が１／４以下になるために、特に量子暗号鍵配布に使用した場合、暗号鍵の生成速度が著しく劣化することになる。
【００２２】
（２）４値信号の特性を利用した方法
選別鍵のマーク率が５０％からずれる最も大きな原因は光子受信器にある。そこで光子受信器を調整することでマーク率を５０％に維持することが考えられる。
【００２３】
具体的には、非特許文献６の記載に従って次のような方法を採用することも可能である。すなわち、量子暗号鍵配布の最も一般的なプロトコルであるＢＢ８４の４量子状態をコーディングする方法を工夫することによっても、暗号鍵のマーク率を５０％に近づけることができる。
【００２４】
図２４は非特許文献６の記載に基づくマーク率改善方法の概要を示す図である。図２０でも説明したように、＋基底で“０”を送信したときに光子受信器０に、＋基底で“１”を送信したときに光子受信器１に、×基底で“０”を送信したときに光子受信器１に、×基底で“１”を送信したときに光子受信器０に、それぞれ出力されるようにコーディングを行う。ここで、光子受信器０および光子受信器１の受光効率をそれぞれＱ０、Ｑ１とすると、４量子状態それぞれを検出する確率は次のように表せる。
【００２５】
（＋基底で“０”を検出する確率：P1）＝（＋基底で“０”を生成する確率：S1）×Q0
（＋基底で“１”を検出する確率：P2）＝（＋基底で“１”を生成する確率：S2）×Q1
（×基底で“０”を検出する確率：P3）＝（×基底で“０”を生成する確率：S3）×Q1
（×基底で“１”を検出する確率：P4）＝（×基底で“１”を生成する確率：S4）×Q0
ここで、S1,S2,S3,S4を厳密に等しいとすると(S1＝S2＝S3＝S4)、
（“０”を得る確率）＝  P1 ＋ P3  ＝  S1×Q0 ＋ S3×Q1  ＝（Q0 + Q1）× S1
（“１”を得る確率）＝  P2 ＋ P4  ＝  S2×Q1 ＋ S4×Q0  ＝（Q0 + Q1）× S1
となり、得られる乱数の“０”および“１”の数が等しくなることが確認できる。
【００２６】
しかしながら、各状態を作り出す確率を等しく設定しても、実際に信号を作り出す時点では、デバイス駆動条件の時間揺らぎによって各々の状態を生成する確率は等しくならない。具体的には、光源における電圧ノイズによる光子数のばらつき、位相変調器の駆動電圧揺らぎによる各状態の純度のばらつき等によってS1-S4は等しくならない。S1-S4が等しくなければ、生成乱数のマーク率は５０％からずれることになり、新たなマーク率補償を施す必要が生じる。具体的には、乱数の品質を測定する為の乱数検定としてNIST SP800-22に合格するには、たとえば１Ｍｂｉｔの乱数のマーク率として換算すれば約５０±０．１３（％）に収める必要がある。
【００２７】
なお、従来の通常の光通信では、光強度が高く伝送信号の誤り率が１×１０-3以下の領域下で通信を行う。したがって、送信信号はほぼ確実に受信信号と一致し、送信信号と受信信号のマーク率が異なったとしても、この差は１０-3のオーダより大きくはならない。また、そもそも従来の光通信では、送受信信号のマーク率が異なっていても盗聴者が入手しうる情報量が増加するという被害は考えられておらず、盗聴者の存在および盗聴行為を想定していない。したがってマーク率の問題は発生しえなかった。
【００２８】
これに対して、単一光子レベルの微小光を用いて秘密情報の共有を行うシステムでは、共有される乱数の品質と安全性との関係は上述したように重要問題となる。
【００２９】
そこで、本発明は、与えられた乱数の品質レベルを制御可能な乱数品質管理装置および方法を提供することを目的とする。
【００３０】
さらに、本発明は、通信器の間で共有される乱数の生成速度を劣化させることなく共有乱数の品質を制御可能な乱数品質管理システムおよび方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明による乱数品質管理装置は、乱数を構成する複数の値をそれぞれ個別に出力する出力手段と、複数の値の個数の割合を計算する計算手段と、割合が所望値になるように出力手段の特性を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。出力手段は乱数から複数の値を弁別するものであってもよいし、複数の値を検出したときに検出信号を出力してもよい。
【００３２】
本発明による乱数品質管理システムは、伝送路を介して第１通信器から第２通信器へ乱数信号を送信することで第１通信器と第２通信器との間で共有された乱数の品質を監視する乱数品質監視手段と、乱数の品質に基づいて乱数信号を受信する受信器の受信特性を変更する制御手段と、を有することを特徴とする。制御手段は、受信器の受信効率あるいは受信信号を識別する閾値を制御することができる。
【００３３】
望ましくは、複数の値のそれぞれの割合が等しくなるように特性が制御される。“０”および“１”からなる乱数の場合、“０”および“１”のそれぞれの個数が等しく（マーク率が５０％に）なるように受信器の受信特性が制御される。送信側の送信信号状態の偏りを乱数の品質に基づいて調整する方法を併用することも可能である。
【００３４】
本発明の一実施例を適用した量子暗号鍵配布システムによれば、生成した選別鍵のマーク率を監視し続け、当該マーク率が所望値（たとえば５０％）から許容範囲以上にずれた場合に、受信機（Ｂｏｂ）の受信特性を調整し、結果として選別鍵のマーク率を５０％に補償するように制御される。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、乱数を構成する複数の値をそれぞれ個別に出力する特性を、当該乱数の複数の値の個数の割合が所望値になるように制御される。したがって、乱数の品質を所望のレベルに迅速に設定することができ、特に複数の値の割合を均一にすることが容易になる。たとえば、乱数信号を受信器で受信して乱数を生成するシステムでは、“０”および“１”の個数の偏りを監視し、所望の割合からの逸脱があれば、それを補償するように受信器の受信特性を制御する。このように受信器の受信特性を変更することで所望の品質の乱数を高速で得ることができる。
【００３６】
具体的には、量子暗号鍵配布において共有した選別鍵のマーク率を５０％に保持できる。その理由は、生成した選別鍵のマーク率をモニタし、受光素子の受光効率にフィードバックすることによって、受信数の偏りによる“０”および“１”の個数のずれを補償できるためである。
【００３７】
このように乱数を構成する複数の値の個数の割合を均一化すると、秘匿されるべき共有乱数（暗号鍵など）が盗聴者に漏洩しうる情報量を削減できる。量子暗号鍵生成プロセスにおける秘匿増強過程に入力する暗号鍵のマーク率も５０％に保持することができ盗聴者に最終鍵の推測をさせないからである。また受信器の受信特性を調整してマーク率を所望値に設定できるために、共有情報の生成速度を劣化させることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
本発明では、ｍ値乱数の各値をそれぞれ判別し、ｍ値のそれぞれの個数の割合Ｐ1−Ｐmを当該乱数の品質の指標とする。たとえば、ｍ値すべての個数が同じ割合（Ｐ1＝Ｐ2＝・・・＝Ｐm）となる乱数を望ましい品質とすることができる。ｘおよびｙの列からなる２値乱数の場合、その品質は、上述したようにマーク率Ｍ＝（乱数列中の“ｘ”の個数）／（乱数列の長さ）により評価されうる。以下、マーク率Ｍを用いて、ｘ＝１、ｙ＝０からなる２値乱数の場合を例示する。
【００３９】
図１は本発明の一実施形態による乱数品質管理装置の機能的構成を示すブロック図である。本実施形態による乱数品質管理装置には２つの“０”出力部１および“１”出力部２が設けられ、“０”出力部１は入力乱数の一方の値“０”を検出して出力し、“１”出力部２は入力乱数の他方の値“１”を検出して出力するものとする。あるいは、“０”出力部１および“１”出力部２の代わりに、入力乱数の“０”および“１”を弁別する０／１弁別部を用い、“０”あるいは“１”が入力する毎にそれぞれ検出信号を出力する構成でも良い。または、“０”出力部１および“１”出力部２が“０”および“１”を検出する毎に個数をカウントする機能を有するものでも良い。
【００４０】
“０”出力部１および“１”出力部２から順次出力される“０”および“１”は、データ処理部３および乱数品質モニタ４へそれぞれ出力される。乱数品質モニタ４は、“０”出力部１から出力される“０”と、“１”出力部２から出力される“１”とを合計が一定数になるまで蓄積部５に蓄積する。こうして蓄積された“０”の個数および“１”の個数とから上述したマーク率Ｍを算出する。その際、マーク率Ｍが所望の範囲（たとえば５０±δ％）内にあるかどうかを判定してもよい。
【００４１】
駆動制御部６は、マーク率Ｍが所望の範囲（たとえば５０±δ％）内にあるかどうかを判定し（あるいは、その判定結果を乱数品質モニタ４から入力して）、マーク率Ｍが所望範囲を逸脱していれば、駆動制御部６はマーク率Ｍが所望範囲に入るように受信器１および２からそれぞれ出力される“０”および“１”の個数を調整する。
【００４２】
駆動制御部６はマーク率Ｍに基づいて“０”出力部１および“１”出力部２をそれぞれ独立に制御する。“０”出力部１および“１”出力部２は、何らかの方法で“０”／“１”の出力特性を相対的に調整できるデバイスであればよい。具体例は後述するが、出力部のバイアス電圧、駆動電圧、閾値電圧あるいは電圧印加タイミングなどを変化させることで、それぞれ出力される“０”および“１”の個数の割合を変化させることができればよい。
【００４３】
このように本実施形態によれば、出力乱数のマーク率Ｍを所望範囲内に調整することができるので、データ処理部３は“０”出力部１および“１”出力部２から入力した“０”および“１”の列に基づいて、たとえば暗号鍵生成プロセスにおける暗号鍵のマーク率Ｍをできるだけ５０％に近づけることが可能である。なお、入力乱数が複数値の場合には、各値に対応する出力部を複数個設け、それぞれ出力された値を乱数品質モニタ４へ出力してカウントするように構成すればよい。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００４４】
図２（ａ）は本発明の第１実施例による乱数品質管理装置を適用した量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図であり、（ｂ）は本実施例における光回路の動作を示すテーブルである。本実施例では、光子受信器の受光効率ηがＤＣバイアスによって調整され選別鍵のマーク率が５０％に保持される。
【００４５】
図２に示すように、本実施例による量子暗号鍵配布システムはＡｌｉｃｅ（送信機）１１とＢｏｂ（受信機）１３とが光ファイバ１２で接続され、光子の位相に情報を載せて伝送することによって暗号鍵の共有を行うものである。Ｂｏｂ１３の光カプラ１３１での干渉により受光器１３２（以下、受光器０という。）および受光器１３３（以下、受光器１という。）のいずれかに光子が入射するものとする。ここでは、Ａｌｉｃｅ側での送信基底によらず、乱数データ“０”を送ったときには受光器０で、乱数データ“１”を送ったときには受光器１で、それぞれ光子パルスが検出される光回路構成とする。
【００４６】
Ｂｏｂ１３には、さらに、受光器０および受光器１の各検出出力を入力する乱数品質モニタ１３４と、乱数品質モニタ１３４が利用する蓄積部１３６と、受光器０および１のＤＣバイアス電圧をそれぞれ変化させるためのＤＣバイアス調整器１３５とが設けられている。乱数品質モニタ１３４は、上述したように、受光器０および１の各出力から共有乱数のマーク率Ｍを計算し、ＤＣバイアス調整器１３５は計算されたマーク率Ｍを元に受光器０および１のＤＣバイアスをそれぞれ変化させる。
【００４７】
受光器０および１は典型的にはアバランシェ・フォトダイオード（Avalanche Photodiode：ＡＰＤ）であり、単一光子レベルの微弱光を検出する場合には一般にブレークダウン電圧以上のバイアス電圧を印加するガイガーモードで駆動される。ガイガーモードでは、ブレークダウン電圧を超える高バイアス電圧をＡＰＤに印加することにより、不安定な平衡状態を作り出し、わずかなエネルギー入射でも大きな電流を得ることができる。このガイガーモードは、光子が入射してパルス電流が発生するまで高バイアス電圧を印加し続ける連続モードと、光子が入射するタイミングを狙って高バイアス電圧をパルス的に印加するゲーテッドガイガーモードとがある。本実施例ではゲーテッドガイガーモードで使用する場合を示す。
【００４８】
図３（ａ）は、ＡＰＤをゲーテッドガイガーモードで駆動した場合の、ＡＰＤに印加するＤＣバイアスと受光効率との関係の一例を表すグラフであり、（ｂ）はその一部を拡大したグラフである。一般的に光子受信で使用するのは図３（ｂ）にクローズアップした領域である。この使用領域では、ＤＣバイアスが高くなるにつれて、徐々に受光効率Ｑも高くなることが分かる。
【００４９】
従って、生成される選別鍵（共有乱数）に“０”の割合が大きければ、受光器０のＤＣバイアス値を低下させて受光効率Ｑ0を相対的に低下させ、および／または、受光器１のＤＣバイアス値を上昇させて受光効率Ｑ1を相対的に上昇させる。逆に、生成される選別鍵に“１”の割合が大きければ、受光器０のＤＣバイアス値を上昇させて受光効率Ｑ0を相対的に上昇させ、および／または、受光器１のＤＣバイアス値を低下させて受光効率Ｑ1を相対的に低下させる。このように受光器０および１のＤＣバイアスを調整することで、選別鍵の“０”あるいは“１”の割合を所望値にできるだけ近づけることができる。
【００５０】
図４は本発明の第１実施例におけるＤＣバイアス制御を示すフローチャートである。本実施例では、１Ｍｂｉｔ単位で乱数列のマーク率Ｍをモニタし、受光器０および受光器１の調整を行う構成とした。ＤＣバイアス調整器１３５には、受光器を調整すべきかどうかを判定する基準として、所望マーク率Ｍ0近傍の許容範囲を示す上限マーク率Ｍ+と下限マーク率Ｍ-とが予め格納されている。
【００５１】
上述したように、NIST SP800-22の乱数検定を採用すれば、１Ｍｂｉｔ乱数の場合、マーク率は約５０±０．１３（％）に収める必要があるので、最適マーク率Ｍ0は５０％、上限マーク率Ｍ+は５０．１３％、下限マーク率Ｍ-は４９．８７％に設定される。もちろん、これは一例であり、マーク率を計算する単位が１Ｍｂｉｔである必要はなく、一定の蓄積量であればよい。さらに、受光器のバイアス調整を行うか否か判断するマーク率の許容範囲が５０±０.１３（％）である必要もなく、この値よりも大きくても小さくても良い。
【００５２】
図４において、量子暗号鍵生成過程では、ＡｌｉｃｅとＢｏｂとで共有されている生鍵に対して基底照合を行い、逐次選別鍵を生成し続ける。乱数品質モニタ１３４は、この選別鍵が蓄積部に１Ｍｂｉｔだけ蓄積される毎にマーク率Ｍの計算を行う（ステップＳ１０１）。
【００５３】
ＤＣバイアス調整器１３５は、乱数品質モニタ１３４により計算されたマーク率Ｍが上限マーク率Ｍ+よりも大きければ、つまり乱数列の中に“１”の個数が上限値よりも多ければ（ステップＳ１０２のＹｅｓ）、“０”の数を相対的に増やすように受光器０のＤＣバイアス値を増加させる（ステップ１０３）。ただし、相対的な増加であるから、ステップＳ１０３において受光器１のＤＣバイアス値を減少させる調整を行っても良い。
【００５４】
計算されたマーク率Ｍが上限マーク率Ｍ+以下であるなら（ステップＳ１０２のＮｏ）、次に、マーク率Ｍが下限マーク率Ｍ-より小さいかどうか確認する（ステップＳ１０４）。Ｍ＜Ｍ-であれば、つまり乱数列の中に“０”の数が相対的に多ければ（ステップＳ１０４のＹｅｓ）、“１”の数を増やすように受光器１のＤＣバイアス値を増加させる（ステップＳ１０５）。この場合も、ステップ１０５において、受光器０のＤＣバイアス値を相対的に減少させても良い。
【００５５】
マーク率Ｍが上限マーク率Ｍ+以下かつ下限マーク率Ｍ-以上であるなら（ステップＳ１０４のＮｏ）、当該選別鍵に基づいて最終暗号鍵抽出処理（既に説明した誤り訂正や秘匿増強処理）を実行する（ステップＳ１０６）。
【００５６】
なお、本実施例では受光器０および１としてＡＰＤを例示し、ゲーテッドガイガーモードで使用したが、本発明はこの実施例に限定されない。受光素子に高電圧を印加して微小光を検出するシステムであれば本発明を適用できる。また、本実施例では、マーク率Ｍをモニタする対象を選別鍵としたが、誤り訂正後の暗号鍵でもかまわない。
【００５７】
なお、図４に示すＤＣバイアス制御を実行する乱数品質モニタ１３４およびＤＣバイアス調整器１３５は、プログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行することにより実現することもできる。
【実施例２】
【００５８】
図５は本発明の第２実施例による乱数品質管理装置を適用した量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図である。本実施例では、Ａｌｉｃｅで得た選別鍵のマーク率Ｍを元に、Ｂｏｂの受光器０および１のＤＣバイアスを変化させる。後述するようにＡｌｉｃｅ側には真性乱数を生成する乱数源があり、この真性乱数に基づいて選別鍵を抽出できるために、選別鍵のマーク率に基づくＤＣバイアス制御の精度を向上させることができる。なお、図２と同じ機能を有するブロックには同一参照番号を付して詳しい説明は省略する。
【００５９】
図５に示すように、本実施例による量子暗号鍵配布システムはＡｌｉｃｅ２１とＢｏｂ２３とが光ファイバ２２で接続されており、光子の位相に情報を載せて伝送することによって暗号鍵の共有を行うものである。Ｂｏｂ２３には、既に説明したように光カプラ１３１、受光器０および受光器１に加えて、メモリ２１４およびＤＣバイアス調整器２１５が設けられている。メモリ２１４には、Ａｌｉｃｅ２１から到着したビット列のビット番号と各々のビットを受信した際の乱数情報および選択基底とが格納される。既に述べたように、量子暗号鍵配布では、単一光子状態にまで強度を弱くした光信号をＡｌｉｃｅ２１からＢｏｂ２３へ送信するので、Ａｌｉｃｅ２１の送り出したビット列の一部のみがＢｏｂ２３に到着する。Ｂｏｂ２３は到着したビット番号と各々のビットを受信した際の乱数情報および選択基底とをメモリ２１４に格納し、ビット番号および選択基底の情報をＡｌｉｃｅ２１に通達する。
【００６０】
Ａｌｉｃｅ２１には、真性乱数を生成する乱数源２１、メモリ２１２および乱数品質モニタ２１３が設けられている。真性乱数とは周期性を有さない理想的な乱数列であり、真性乱数発生回路として物理乱数発生回路が知られている。物理乱数とは様々な予測不可能な物理現象から得た乱数であり、半導体内部の熱雑音や量子光学を利用した方法が知られている。Ａｌｉｃｅでは、乱数源２１１からビット列を送り出した際、各々のビットに施した変調情報（乱数情報および基底）をメモリ２１２に格納する。これらの情報の内、Ｂｏｂ２３から通達されたビット番号および選択基底の情報に従って、共有できたビット番号のみの乱数情報からなる乱数列を生成し、これが選別鍵となる。
【００６１】
Ａｌｉｃｅ２１の乱数品質モニタ２１３は、この選別鍵のマーク率Ｍを計算し、その結果あるいはマーク率判定結果をＢｏｂ２３に通達する。Ｂｏｂ２３のＤＣバイアス調整器２１５は、第１実施例で説明したように受信したマーク率Ｍに基づいて受光器０および１のＤＣバイアスを調整する。あるいは、マーク率判定結果に従って同様に受光器０および１のＤＣバイアスを調整してもよい。
【００６２】
本実施例では、Ａｌｉｃｅ２１の選別鍵のマーク率Ｍに基づいてＢｏｂ２３の受光器を調整する。本実施例の調整方法は、Ｂｏｂ２３の選別鍵のマーク率Ｍを元に行う調整と比べて以下の点が異なる。
【００６３】
Ａｌｉｃｅ２１の有する乱数源２１１は真性乱数を生成する。したがって、Ａｌｉｃｅ側の選別鍵は、真性乱数（物理乱数）列の中から無作為にその一部を抽出した結果である。これに対し、Ｂｏｂ２３の選別鍵はＡｌｉｃｅ２１の選別鍵に伝送路２２や受光器０および１における符号誤りが加わった結果となる。
【００６４】
具体的に乱数の質を検査するツールとして前述した乱数検定を例に取ると、真性乱数はこの乱数検定の全てのテストに合格するので、真性乱数列から無作為に抽出したＡｌｉｃｅ２１の選別鍵も原理的には乱数検定の全てのテストに合格するはずである。もしＡｌｉｃｅ２１の選別鍵が乱数検定に合格しない場合は、検出効率の偏り（“０”の方が検出し易い、あるいは“１”の方が検出し易いという偏り）が存在すると考えることができる。したがって、本実施例では、Ａｌｉｃｅ２１で計算されたマーク率Ｍに基づいて、Ｂｏｂ２３の受光器０および１を調整してＡｌｉｃｅ２１の選別鍵が乱数検定に合格するように調整する。一方、Ｂｏｂ２３の選別鍵には、誤りの指向性（“０”→“１”に誤りやすい、あるいは、“１”→“０”に誤りやすい等）が加わるために必ずしも乱数検定には合格しない。したがって、本実施例のようにＡｌｉｃｅ２１の選別鍵から計算されたマーク率Ｍに基づいてＤＣバイアス調整を行う方が、Ｂｏｂ２３の選別鍵を用いる場合よりも精度の高い制御が可能となる。
【００６５】
図６は第２実施例におけるＤＣバイアス制御を示すフローチャートである。乱数品質モニタ２１３は、選別鍵が蓄積部に１Ｍｂｉｔだけ蓄積される毎にマーク率Ｍの計算を行い（ステップＳ２０１）、計算されたマーク率Ｍが上限マーク率Ｍ+よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２０２）。
【００６６】
計算されたマーク率Ｍが上限マーク率Ｍ+より大きいときには（ステップＳ２０２のＹｅｓ）、Ａｌｉｃｅ２１はその旨をＢｏｂ２３へ通達し、Ｂｏｂ２３のＤＣバイアス調整器２１５は、乱数列の中の“１”の個数を相対的に減少させるように、すなわち“０”の数を相対的に増やすように受光器０のＤＣバイアス値を増加させる（ステップ２０３）。あるいは、受光器１のＤＣバイアス値を減少させて“１”の数を相対的に減少させても良い。
【００６７】
計算されたマーク率Ｍが上限マーク率Ｍ+以下であるなら（ステップＳ２０２のＮｏ）、次に、マーク率Ｍが下限マーク率Ｍ-より小さいかどうか確認する（ステップＳ２０４）。Ｍ＜Ｍ-であれば（ステップＳ２０４のＹｅｓ）、その旨をＢｏｂ２３へ通知し、Ｂｏｂ２３のＤＣバイアス調整器２１５は乱数列の中の“０”の数を相対的に減少させるように受光器０のＤＣバイアス値を低下させる（ステップＳ２０５）。あるいは、受光器１のＤＣバイアス値を増加させても良い。
【００６８】
マーク率Ｍが上限マーク率Ｍ+以下かつ下限マーク率Ｍ-以上であるなら（ステップＳ２０４のＮｏ）、当該選別鍵に基づいて最終暗号鍵抽出処理（既に説明した誤り訂正や秘匿増強処理）を実行する（ステップＳ２０６）。
【００６９】
なお、本実施例では受光器０および１としてＡＰＤを例示し、ゲーテッドガイガーモードで使用したが、本発明はこの実施例に限定されない。受光素子に高電圧を印加して微小光を検出するシステムであれば本発明を適用できる。また、本実施例では、マーク率Ｍをモニタする対象を選別鍵としたが、誤り訂正後の暗号鍵でもかまわない。さらに、マーク率を計算する単位が１Ｍｂｉｔである必要はなく、一定の蓄積量であればよい。上限マーク率Ｍ+および下限マーク率Ｍ-の値は目的に応じて決定でき、５０±０.１３（％）である必要もなく、この値よりも大きくても小さくても良い。
【００７０】
なお、図６に示すＤＣバイアス制御を実行する乱数品質モニタ２１３およびＤＣバイアス調整器２１５は、プログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行することにより実現することもできる。
【実施例３】
【００７１】
図７（ａ）は本発明の第３実施例による乱数品質管理装置を適用した量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図であり、（ｂ）は本実施例における光回路の動作を示すテーブルである。なお、図２と同じ機能を有するブロックには同一参照番号を付して詳しい説明は省略する。
【００７２】
本実施例では、図２４に従って説明した非特許文献６の記載に基づくマーク率改善方法を組み合わせて調整を行う。図２４において説明したように、選別鍵において“０”および“１”を得る確率は、
（“０”を得る確率）＝Ｐ１＋Ｐ３＝Ｓ１×Ｑ０＋Ｓ３×Ｑ１
（“１”を得る確率）＝Ｐ２＋Ｐ４＝Ｓ２×Ｑ１＋Ｓ４×Ｑ０
である。既に述べたように、本実施例のシステムでは、＋基底で“０”を送信したときに受光器０に出力され、＋基底で“１”を送信したときには受光器１に、×基底で“０”を送信したときには受光器１に、×基底で“１”を送信したときには受光器０にそれぞれ出力されるようにコーディングが行われる。上記Ｐ１〜Ｐ４はこれら４量子状態それぞれを検出する確率であり、Ｓ１は＋基底で“０”を生成する確率、Ｓ２は＋基底で“１”を生成する確率、Ｓ３は×基底で“０”を生成する確率、Ｓ４は×基底で“１”を生成する確率、および、Ｑ０およびＱ１はそれぞれ受光器０および１の受光効率である。本実施例では、従来とは異なり、デバイス駆動条件の時間揺らぎ等によって確率Ｓ１−Ｓ４は実際には等しくならないと前提されている。
【００７３】
一例として、受光器調整前にマーク率Ｍが所望マーク率Ｍ0＝５０％より小さい、つまり“１”に比べて“０”の数が多いとする。従って、
（Ｓ１×Ｑ０＋Ｓ３×Ｑ１）＞（Ｓ２×Ｑ１＋Ｓ４×Ｑ０）
である。本実施例によれば、Ｓ１とＳ４の大小関係によって受光効率Ｑ０の調整方向が決定され、Ｓ２とＳ３の大小によって受光効率Ｑ１の調整方向が決定される。
【００７４】
Ｓ１＞Ｓ４の場合、受光効率Ｑ０を低下させることによって、マーク率は５０％に近づく。これは以下のように証明できる。受光効率Ｑ０をＱ０−Δｑ（Δｑ＞０）に変化させると、
（受光効率調整後の“０”の数）−（受光効率調整後の“１”の数）
＝[Ｓ１×（Ｑ０−Δｑ）＋Ｓ３×Ｑ１]−[Ｓ２×Ｑ１＋Ｓ４×（Ｑ０−Δｑ）]
＝[（Ｓ１×Ｑ０＋Ｓ３×Ｑ１）−Ｓ１×Δｑ]
−[（Ｓ２×Ｑ１＋Ｓ４×Ｑ０）−Ｓ４×Δｑ]
＝[（Ｓ１×Ｑ０＋Ｓ３×Ｑ１）−（Ｓ２×Ｑ１＋Ｓ４×Ｑ０）]−（Ｓ１−Ｓ４）×Δｑ
＜[（Ｓ１×Ｑ０＋Ｓ３×Ｑ１）−（Ｓ２×Ｑ１＋Ｓ４×Ｑ０）]
＝（受光効率調整前の“０”の数）−（受光効率調整前の“１”の数）
となる。すなわち、受光効率の調整によって“０”の数と”１”の数との差が小さくなるということは、マーク率が５０％に近づくことを意味する。逆に、Ｓ１＜Ｓ４の場合、受光効率Ｑ０を増加させることによって、マーク率Ｍを５０％に近づけることができる。
【００７５】
同様に、Ｓ２＞Ｓ３の場合は受光効率Ｑ１を増加させることによってマーク率は５０％に近づき、Ｓ２＜Ｓ３の場合は受光効率Ｑ１を低下させることによってマーク率は５０％に近づく。
【００７６】
受光器調整前のマーク率が５０％より大きい場合には、上述した受信効率調整方向を全て逆にすればよい。
【００７７】
図８は第３実施例におけるＤＣバイアス制御を示すフローチャートである。まず、Ｓ１,Ｓ２,Ｓ３およびＳ４の大小関係を前もって測定しておき、また既に述べたように上限マーク率Ｍ+および下限マーク率Ｍ-の値も前もって定めておく。
【００７８】
乱数品質モニタ３１５は、選別鍵が蓄積部に１Ｍｂｉｔだけ蓄積される毎にマーク率Ｍの計算を行い（ステップＳ３０１）、計算されたマーク率Ｍが上限マーク率Ｍ+よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３０２）。
【００７９】
計算されたマーク率Ｍが上限マーク率Ｍ+より大きいときには（ステップＳ３０２のＹｅｓ）、Ｓ１とＳ４の大小を比較する（ステップＳ３０３）。Ｓ１＞Ｓ４であれば（ステップＳ３０３のＹｅｓ）、受光器０のＤＣバイアスを増加させ（ステップＳ３０４）、Ｓ１≦Ｓ４であれば（ステップＳ３０３のＮｏ）、受光器０のＤＣバイアスを低下させる（ステップＳ３０５）。
【００８０】
計算されたマーク率Ｍが上限マーク率Ｍ+以下であり（ステップＳ３０２のＮｏ）かつ、下限マーク率Ｍ-よりも小さい場合には（ステップＳ３０６のＹｅｓ）、Ｓ２とＳ３の大小関係を比較する（ステップＳ３０７）。Ｓ２＞Ｓ３であれば（ステップＳ３０７のＹｅｓ）、受光器１のＤＣバイアスを増加させ（ステップＳ３０８）、Ｓ２≦Ｓ３であれば（ステップＳ３０７のＮｏ）、受光器１のＤＣバイアスを低下させる（ステップＳ３０９）。
【００８１】
計算されたマーク率Ｍが上限マーク率Ｍ+以下かつ下限マーク率Ｍ-以上であるなら（ステップＳ３０６のＮｏ）、当該選別鍵に基づいて最終暗号鍵抽出処理（既に説明した誤り訂正や秘匿増強処理）を実行する（ステップＳ３１０）。
【００８２】
なお、“０”および“１”の割合は相対的に増減すればよいので、受光器０の制御ステップＳ３０３〜Ｓ３０５と受光器１の制御ステップＳ３０７〜Ｓ３０９とは、それぞれ独立に次のように置き換えることもできる。すなわち、
１）ステップＳ３０３の代わりにＳ２とＳ３を比較するステップＳ３０７を配し、ステップＳ３０４の代わりに受光器１のＤＣバイアスと低下制御、ステップＳ３０５の代わりに受光器１のＤＣバイアスの増加制御を行う。
【００８３】
２）ステップＳ３０７の代わりにＳ１とＳ４を比較するステップＳ３０３を配し、ステップＳ３０４の代わりに受光器１のＤＣバイアスと低下制御、ステップＳ３０８の代わりに受光器０のＤＣバイアスの低下制御、ステップＳ３０９の代わりに受光器０のＤＣバイアス増加制御を行う。
【００８４】
なお、本実施例では受光器０および１としてＡＰＤを例示し、ゲーテッドガイガーモードで使用したが、本発明はこの実施例に限定されない。受光素子に高電圧を印加して微小光を検出するシステムであれば本発明を適用できる。また、本実施例では、マーク率Ｍをモニタする対象を選別鍵としたが、誤り訂正後の暗号鍵でもかまわない。さらに、マーク率を計算する単位が１Ｍｂｉｔである必要はなく、一定の蓄積量であればよい。上限マーク率Ｍ+および下限マーク率Ｍ-の値は目的に応じて決定でき、５０±０.１３（％）である必要はなく、この値よりも大きくても小さくても良い。
【００８５】
なお、図８に示すＤＣバイアス制御を実行する乱数品質モニタ３１１およびＤＣバイアス調整器１３５は、プログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行することにより実現することもできる。
【実施例４】
【００８６】
図９（ａ）は本発明の第４実施例による乱数品質管理装置を適用した量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図であり、（ｂ）は本実施例における光回路の動作を示すテーブルである。本実施例では、第１実施例と同様に、Ｂｏｂ４３で選別鍵のマーク率Ｍをモニタし、モニタ結果を元に受光器０および１を調整する。ただし、本実施例では、第１実施例のようにＤＣバイアスを調整するのではなく、パルス高調整器４１１によって受光器０および１のゲートパルスのパルス高さを調整する。その他の構成および機能は図２の第１実施例と同様であるから、同じ機能を有するブロックには同一参照番号を付して詳しい説明は省略する。
【００８７】
図１０（ａ）は光子の到来に合わせて光子受信器にパルスバイアスを印加するゲーテッドガイガーモードの電圧波形図、（ｂ）はパルスバイアスのＤＣバイアスを上昇させた時の第１実施例に相当する電圧波形図、（ｃ）パルスバイアスのパルス電圧の高さを上昇させたときの電圧波形図である。
【００８８】
一般に、アバランシェ・フォトダイオードＡＰＤにゲート電圧を印加して光子受信器として使用する場合、パルスバイアス信号を調整して受光効率を向上させる方法が二つ挙げられる。１つは、図１０（ｂ）に示すＤＣバイアスを増加させる方法であり、既に第１実施例１で説明した。もう１つは、図１０（ｃ）に示したパルス高を調整する方法であり、本実施例で使用するものである。
【００８９】
図１１は第４実施例におけるパルスバイアス制御を示すフローチャートである。ただし、図４の第１実施例と同じステップには同一参照符号を付して説明は省略する。図１１において、パルス高調整器４１１は、乱数品質モニタ１３４により計算されたマーク率Ｍが上限マーク率Ｍ+よりも大きければ、つまり乱数列の中に“１”の個数が上限値よりも多ければ（ステップＳ１０２のＹｅｓ）、“０”の数を相対的に増やすように受光器０のゲートパルスの電圧を上昇させる（ステップＳ４０１）。ただし、相対的な増加であるから、ステップＳ４０１において受光器１のゲートパルスの電圧を減少させる調整を行っても良い。
【００９０】
計算されたマーク率Ｍが上限マーク率Ｍ+以下で（ステップＳ１０２のＮｏ）且つ下限マーク率Ｍ-より小さい場合には（ステップＳ１０４のＹｅｓ）、乱数列の中に“０”の数が相対的に多いので、“１”の数を増やすように受光器１のゲートパルスの電圧を上昇させる（ステップＳ４０２）。ただし、ステップＳ４０２において、受光器０のゲートパルスの電圧を減少させても良い。
【００９１】
なお、本実施例では、マーク率Ｍをモニタする対象を選別鍵としたが、誤り訂正後の暗号鍵でもかまわない。さらに、マーク率を計算する単位が１Ｍｂｉｔである必要はなく、一定の蓄積量であればよい。上限マーク率Ｍ+および下限マーク率Ｍ-の値は目的に応じて決定でき、５０±０.１３（％）である必要はなく、この値よりも大きくても小さくても良い。また、本実施例は図８に示す第３実施例で説明した制御手法（図８のステップＳ３０３〜Ｓ３０５とステップＳ３０７〜Ｓ３０９）に適用することもできる。
【００９２】
なお、図１１に示すパルスバイアス制御を実行する乱数品質モニタ１３４およびパルス高調整器４１１は、プログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行することにより実現することもできる。
【実施例５】
【００９３】
本発明の第５実施例では、ＤＣバイアスやパルス高を調整するのではなく、光子受信器に与えるゲートパルスのパルスタイミングによって受光効率が変化する現象を利用する。本実施例では、一例として、非特許文献７に記載の平衡型ゲートモード光子検出器を用いて乱数品質管理装置を構成する。
【００９４】
図１２は本発明の第５実施例による乱数品質管理装置を適用した量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図である。本実施例における受光器０（以下、ＡＰＤ０と記す。）および受光器１（以下、ＡＰＤ１と記す。）はパルスバイアス源５０１によってゲーテッドガイガーモードで駆動される。光子パルスが入射すると、光カプラ１３１で干渉し、その干渉結果が、たとえばＡｌｉｃｅとＢｏｂの位相変調の差に依存してポート０あるいはポート１に出力する。干渉後の光子パルスは各々ＡＰＤ０あるいはＡＰＤ１で光電変換され、ハイブリッドジャンクション５０２で両ＡＰＤの出力信号の差がとられる。この差分動作によって、ＡＰＤ０およびＡＰＤ１をゲートモード駆動することによって発生するスパイクを相殺することができ、光子検出器の信号対雑音比（ＳＮ比）を向上させることができる。
【００９５】
ハイブリッドジャンクション５０２の出力は、干渉後の光子パルスがＡＰＤ０で検出されたかＡＰＤ１で検出されたかによって正負が異なるので、判別器５０３によって“０”、“１”を判別することができ、それらの判別結果を乱数品質モニタ５０４へ出力する。乱数品質モニタ５０４は、既に説明したように、所定の長さの乱数列を蓄積部５０５に蓄積すると、そのマーク率Ｍを計算し、それに基づいてタイミング調整器５０６がパルスバイアス源５０１から出力されるパルス電圧の位相を調整する。
【００９６】
図１３（ａ）〜（ｃ）はパルスバイアス印加タイミングと受光効率との関係を説明するための電圧波形図である。一般的に、図１３（ａ）に示す様に、ＡＰＤにゲートパルスが印加された直後に光子が入射した場合に最もＡＰＤ内部で雪崩増倍が起こりやすく受光効率が高くなる。光子入射のタイミングが印加パルスの立ち上がりから遅れると、図１３（ｂ）や（ｃ）に示すように雪崩増倍が減少し受光効率は低下する。
【００９７】
一方、光子入射タイミングと光子検出器に印加されるパルスタイミングとがずれる要因は数多く存在する。
【００９８】
たとえば、図１２に示すように、ポート０の光カプラ１３１からＡＰＤ０までの距離Ｌ０とポート１の光カプラ１３１からＡＰＤ１までの距離Ｌ１とが異なれば、干渉後の光子パルスがそれぞれのＡＰＤに到達するタイミングが異なる。具体的には、光カプラ１３１のポート長が完全に同一でない限り、Ｌ０およびＬ１は異なることになる。また、パルスバイアス源５０１の一方の出力端からＡＰＤ０までの配線長Ｌ２と、パルスバイアス源５０１の他方の出力端からＡＰＤ１までの配線長Ｌ３とが異なっている場合にも、ゲートパルスがそれぞれのＡＰＤに到達するタイミングが異なってくる。
【００９９】
このように、ポート０および１を通過した光子パルスがＡＰＤ０およびＡＰＤ１にそれぞれ到達する時刻も異なる上に、同じパルスバイアス源５０１において生成したゲートパルスがＡＰＤ０および１に到達する時刻もそれぞれ異なる。従って、パルスバイアス源５０１で生成するゲートパルスの位相を徐々に変化させていくと、ＡＰＤ０および１でそれぞれカウントされる光子数の分布は一致しないはずである。
【０１００】
図１４（ａ）はゲートパルスの位相に対するＡＰＤ０およびＡＰＤ１のカウント数の分布の一例を示すグラフ、（ｂ）は他の分布例を示すグラフである。図１４（ａ）および（ｂ）の分布の相違は、ＡＰＤ０、ＡＰＤ１の受信効率やそれぞれの経路損失差などに起因するが、いずれにしてもゲートパルスの位相を変化させることでＡＰＤ０のカウント数とＡＰＤ１のカウント数とが図示するように変化する。したがって、上述した第１から第４実施例の様にゲートパルスのＤＣバイアス値やパルス高さを調整することなく、タイミング調整器５０６によってゲートパルスの位相を変化させることでＡＰＤ０および１の光子カウント数（受信効率と等価）を調整することができ、マーク率調整に利用することができる。
【０１０１】
図１５は第５実施例のパルスタイミング制御を示すフローチャートである。ただし、図４の第１実施例と同じステップには同一参照符号を付して説明は省略する。上述したようにゲートパルスの位相を前後に調整することにより選別鍵のマーク率を調整することはできるが、前後のどちらにずらせばマーク率が増加あるいは減少するのかを知ることはできない。
【０１０２】
そこで、既に述べたように１Ｍｂｉｔの選別鍵が蓄積する度に、計算されたマーク率Ｍが上限マーク率Ｍ+および下限マーク率Ｍ-で定まる所望範囲から逸脱しているかどうか判別する（ステップＳ５０１）。所望範囲内にあれば（ステップＳ５０１のＮｏ）、そのまま当該選別鍵に基づいて最終暗号鍵抽出処理（既に説明した誤り訂正や秘匿増強処理）を実行する（ステップＳ１０６）。
【０１０３】
所望範囲外の場合には（ステップＳ５０１のＹｅｓ）、タイミング調整器５０６はゲートパルスの位相をΔｔだけ進める（ステップＳ５０２）。位相調整後に再度１Ｍｂｉｔ分の選別鍵のマーク率Ｍを計算し、位相調整前の結果と比較して改善されているか否かを判定する（ステップＳ５０３）。調整後のマーク率が所望マーク率Ｍ0に近づいて改善されていれば（ステップＳ５０３のＹｅｓ）、ステップＳ１０１へ戻って量子暗号鍵生成を継続する。
【０１０４】
位相調整後の選別鍵のマーク率Ｍが、位相調整前の結果と比較して劣化して（所望マーク率Ｍ0から遠ざかって）いれば、ゲートパルスのタイミングをΔｔよりも大きいΔＴだけ遅らせ（ステップＳ５０４）、再びステップＳ１０１に戻って量子暗号鍵生成を継続する。なお、ステップ５０２でゲートパルスのタイミングをΔｔだけ進める代わりに遅らせ、ステップＳ５０４でΔＴだけ遅らせる代わりに進める制御としてもよい。
【０１０５】
このようにマーク率が所望範囲を外れている場合には、ゲートパルスの印加タイミングを移動させることで上述したように受光効率を変化させ、選別鍵のマーク率を改善することができる。
【０１０６】
なお、本実施例では、マーク率Ｍをモニタする対象を選別鍵としたが、誤り訂正後の暗号鍵でもかまわない。さらに、マーク率を計算する単位が１Ｍｂｉｔである必要はなく、一定の蓄積量であればよい。上限マーク率Ｍ+および下限マーク率Ｍ-の値は目的に応じて決定でき、５０±０.１３（％）である必要はなく、この値よりも大きくても小さくても良い。
【０１０７】
また、図１５に示すゲートタイミング制御を実行する乱数品質モニタ５０４およびタイミング調整器５０６は、プログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行することにより実現することもできる。
【実施例６】
【０１０８】
本発明の第６実施例では、送信信号光状態を調整することによって乱数品質を管理する。上述の第１〜第５実施例では、光子受信器の駆動条件を調整することにより量子暗号鍵配布において共有する選別鍵のマーク率を所望値Ｍ0（たとえば５０％）に補償する構成としたが、第３実施例で記載したように送信信号光状態に偏りがある場合には、盗聴者に漏洩する情報量を削減することが出来ない。ＡｌｉｃｅとＢｏｂが共有鍵の誤り率推定の為に行う照合通信を盗聴することにより、Ｅｖｅは「＋基底の場合は“０”が多い」「×基底の場合は“１”が多い」という具合に基底毎に暗号鍵の“０”、“１”の傾向を探ることができる。この結果、もちろんＥｖｅの持ちえる情報量は、送信信号光状態に偏りがない場合に比べて多くなる。
【０１０９】
図１６は本発明の第６実施例による乱数品質管理装置を適用した量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図である。本実施例では、上記各実施例と同様に、光子の位相に情報を載せて伝送することによって暗号鍵の共有を行う。Ａｌｉｃｅ６１には、光源６０１と光源からの光を位相変調器６０２によって位相変調することで情報を乗せることができる。具体的には、位相変調器６０２は位相変調器駆動部６０３からの駆動電圧に依存して出力光の相対位相を変化させる。光子の位相を用いたＢＢ８４プロトコルでは、光子の位相を０、π/２、π、３π/２として送信するので位相変調器６０２の駆動電圧もそれぞれ対応する４値（順にＶ0,Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3とする）を取ることになる。位相変調器駆動部６０３は乱数源６０４から供給される乱数を用いて４値の駆動電圧を生成し位相変調器６０２へ供給する。
【０１１０】
こうして位相変調された光パルス信号は単一光子レベルの微弱光としてＢｏｂ６３へ送出される。Ｂｏｂ６３は、第１実施例と同様の受光器０および１と、所定の長さの乱数を蓄積する蓄積部１３６を有する乱数品質モニタ１３４とを備えている。Ａｌｉｃｅ６１の位相変調器６０２に印加される４値の駆動電圧がそれぞれの目標値からずれていると、該当信号がＢｏｂ６３で受光されたときのカウント数が減少し、共有鍵に偏りが生じる。そこで、本実施例は、共有した乱数データの各基底のマーク率をＡｌｉｃｅ６１へフィードバックし、位相変調器駆動部６０３の４値の駆動電圧を調整する。
【０１１１】
図１７は第６実施例の駆動電圧制御を示すフローチャートである。共有した生鍵の内、＋基底の“０”の数をＮ0、＋基底の“１”の数をＮ1、×基底の“０”の数をＮ2、×基底の“１”の数をＮ3とする。また、送信信号光状態と受光器０および受光器１との対応は第１実施例と同様の関係とする。つまり、Ｎ0とＮ2は一方の受光器（ここでは受光器０）からの出力カウント数、Ｎ1とＮ3は他方の受光器（ここでは受光器１）からの出力カウント数となり、Ｎ0とＮ2の数に有意な差がある場合は送信信号光状態が偏っていることを示している（Ｎ1とＮ3も同様）。
【０１１２】
図１７に示すように、Ｂｏｂ６３の乱数品質モニタ１３４はＡｌｉｃｅ６１からの光信号を受光部０あるいは受光器１で検出することにより１Ｍｂｉｔ分の生鍵を蓄積し、その生鍵から、基底および乱数情報の各組み合わせに対応する検出状態数Ｎ0,Ｎ1,Ｎ2,Ｎ3を計算する（ステップＳ２１０１）。
【０１１３】
続いて、Ｎ0とＮ2との差を計算し、この差が特定の値Ｎthを越えているか否かを判定する（ステップＳ６０２）。ここでＮ0,Ｎ1,Ｎ2,Ｎ3は各々平均値が１Ｍｂｉｔ/４となることが理想である為、各々の値の標準偏差は（１Ｍ/４）1/2＝約５００となるが、本実施例では簡潔にＮth＝１０００とした。
【０１１４】
｜Ｎ0−Ｎ2｜＞Ｎthの場合には（ステップＳ６０２のＹｅｓ）、Ｂｏｂ６３はＮ0とＮ2のどちらが小さいかをＡｌｉｃｅ６１に伝える。Ａｌｉｃｅ６１の位相変調器駆動部６０３は、Ｎ0＞Ｎ2であれば（ステップＳ６０３のＹｅｓ）、Ｎ2に対応する駆動電圧Ｖ2を調整し（ステップＳ６０４）、ステップＳ６０１へ戻る。ただし、駆動電圧調整では、その増減方向を明確に判断することが出来ないので、図１５のステップＳ５０２〜Ｓ５０４に示した様な方法で両方向（増加・減少）を試みてマーク率が改善される方向を採用する。Ｎ0≦Ｎ2であれば（ステップＳ６０３のＮｏ）、Ｎ0に対応する駆動電圧Ｖ0を同様に調整する（ステップＳ６０５）。
【０１１５】
｜Ｎ0−Ｎ2｜≦Ｎthの場合には（ステップＳ６０２のＮｏ）、Ｎ1とＮ3との差を計算し、この差が特定の値Ｎthを越えているか否かを判定する（ステップＳ６０６）。｜Ｎ1−Ｎ3｜＞Ｎthの場合には（ステップＳ６０６のＹｅｓ）、Ｂｏｂ６３はＮ1とＮ3のどちらが小さいかをＡｌｉｃｅ６１に伝える。Ａｌｉｃｅ６１の位相変調器駆動部６０３は、Ｎ1＞Ｎ3であれば（ステップＳ６０７のＹｅｓ）、Ｎ3に対応する駆動電圧Ｖ3を調整し（ステップＳ６０８）、ステップＳ６０１へ戻る。ここでも、駆動電圧調整の増減方向を明確に判断することが出来ないので、図１５のステップＳ５０２〜Ｓ５０４に示した様な方法で両方向（増加・減少）を試みて検出状態数の割合あるいはマーク率が改善される方向を採用する。Ｎ1≦Ｎ3であれば（ステップＳ６０７のＮｏ）、Ｎ1に対応する駆動電圧Ｖ1を同様に調整する（ステップＳ６０９）。
【０１１６】
本実施例では、Ｂｏｂ（受信機）が各信号状態の検出数をカウントして偏りを判断したが、Ａｌｉｃｅ（送信機）が同様の判断ステップを担っても良い。送信信号状態と検出受信器との対応も第１実施例と同様としたが、第３実施例に記載の関係でも同様に適用できる。また、送信光信号状態の偏りを検出する指標として、同一光子受信器で検出する２つの状態数の差を利用したが、検出器によらず４状態各々のカウント数の確率論的理論値からのずれを元に判断しても良い。さらに、実施例中の「１Ｍｂｉｔ」や「Ｎth＝１０００」が異なる値を取っても問題なく、その様な場合も本願発明に含まれる。
【０１１７】
また、Ｂｏｂ側で受光器０および１の調整を行う制御（第１〜第５実施例）を本実施例と組み合わせ、受信側のＢｏｂで受光器を調整し、さらに送信側のＡｌｉｃｅで位相変調機の調整を行うこともできる。
【０１１８】
なお、図１７に示す駆動電圧制御を実行する乱数品質モニタ１３４および位相変調器駆動部６０３は、プログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行することにより実現することもできる。
【実施例７】
【０１１９】
図１８は本発明の一実施形態を適用した量子暗号鍵配布システムの一例を示すブロック図である。ここではＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の量子暗号鍵配布システムの構成を例示する。量子暗号鍵配布システムは、送信機（Ａｌｉｃｅ）７１と受信機（Ｂｏｂ）７３とが光ファイバ伝送路７２を介して接続されている。本実施例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データ通信は、それぞれ異なる波長により行われる。
【０１２０】
送信機７１の量子ユニットは、位相変調器７１０１および偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）７１０２から構成されるＰＢＳループと可変光減衰器７１０３とを有する。位相変調器７１０１は、位相制御部７１０４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それぞれ対応した駆動電圧Ｖ0,Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3であり、光パルスが位相変調器７１０１を通過するタイミングで位相変調器７１０１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７１０４は、光受信器７１０５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７１０１へ印加するが、その印加タイミングと印加電圧は制御部７１０７により制御される。
【０１２１】
ＰＢＳループはファラデーミラーと同様の機能を有し、ＰＢＳ７１０２に受信機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。受信機７３から入射した量子ユニットの光信号は、光可変減衰器７１０３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７１０３を通して受信機７３へ送出される。光可変減衰器７１０３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。
【０１２２】
また、送信機７１は２個の乱数発生器（図示せず）を有し、制御部７１０７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７１０９に順次格納する。格納された乱数のビット番号はメモリ７１０９のアドレスを用いて管理される。
【０１２３】
鍵生成フローが開始されると、制御部７１０７は光可変減衰器７１０３の減衰量を大きくし、メモリ７１０９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７１０４へ出力する。位相制御部７１０４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７１０１へ出力することで、位相変調器７１０１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。
【０１２４】
位相制御部７１０４に供給される同期クロックは、受信機７３から光ファイバ伝送路７２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７１０５により電気信号に変換され位相制御部７１０４へ出力される。同時に、この基準クロックは光送信器７１０６へも出力され、基準クロックとして受信機７３へ折り返される。また、制御部７１０７は、光送受信器７１０８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機７３の制御部７２１１との間でやり取りする。
【０１２５】
本実施例における受信機７３の量子ユニットは、光サーキュレータ７２０３、光カプラ７２０４、位相変調器７２０５、ＰＢＳ７２０６および光検出器ＡＰＤ０、ＡＰＤ１を有する。光カプラ７２０４とＰＢＳ７２０６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７２０５は長いパスに設けられ、位相制御部７２１０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。
【０１２６】
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７２１０および制御部７２１１の制御下で駆動制御部７２１６によりゲーテッドガイガーモード(Gated Geiger Mode)で駆動される。
【０１２７】
受信機７３には基準クロック源７２０１が設けられ、レーザ源７２０２は基準クロック源７２０１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７２０８を通して送信機７１へ送出される。送信機７１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機７３へ折り返す。送信機７１から折り返された基準クロックは光受信器７２０９によって受信され、受信機７３の同期クロックとして位相制御部７２１０へ供給される。位相制御部７２１０は、制御部７２１１の制御の下で、供給された基準クロックを基準として位相変調器７２０５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。
【０１２８】
また、受信機７３は１個の乱数発生器（図示せず）を有し、制御部７２１１は乱数発生器で基底情報（＋／×）を生成してメモリ７２１４に順次格納する。鍵生成フローが開始されると、制御部７２１１はメモリ７２１４から基底情報を順次読み出し、位相制御部７２１０へ出力する。位相制御部７２１０は、基準クロックに従って位相変調器７２０５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、送信機７１から伝送されてきた光パルスが位相変調器７２０５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。
【０１２９】
既に述べたように、送信機７１の位相変調器７１０１で変調された光パルスと受信機７３の位相変調器７２０５で変調された光パルスとが光カプラ７２０４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７２１３に書き込まれる。なお、メモリ７２１３に書き込まれる生鍵のビット番号およびメモリ７２１４に格納される基底情報としての乱数のビット番号は、それぞれのメモリのアドレスを用いて管理される。なおメモリ７２１３および７２１４は同一メモリの別領域であってもよい。
【０１３０】
続いて、メモリ７２１３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７２１４に格納された基底情報とを送信機７１の制御部７１０７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、その結果として選別鍵が送信機７１のメモリ７１０９および受信機７３のメモリ７２１３にそれぞれ格納される。
【０１３１】
受信機７３のモニタ７２１２は、本発明における乱数品質モニタとして機能し、メモリ７２１３に蓄積された一定の長さの生鍵、選別鍵などの乱数データからマーク率を算出する。この算出されたマーク率に基づいて、制御部７２１１、位相制御部７２１０および駆動制御部７２１６は、第１実施例や第３実施例のＤＣバイアス制御、第４実施例のパルス高制御、あるいは第５実施例のゲートタイミング制御を実行するように構成可能である。
【０１３２】
また、第２実施例を適用することもできる。送信機７１に真性乱数を生成する乱数発生器が設けられている場合、送信機７１の制御部７１０７がメモリ７１０９に蓄積された選別鍵からマーク率を判定し、マーク率が所望範囲から逸脱していれば、その判定結果を光送受信器７１０８を通して受信機７３へ通知する。受信機７３では、光送受信器７２１５を通して受信した判定結果に基づいて、制御部７２１１が駆動制御部７２１６あるいは位相制御部７２１０を制御し、ＡＰＤのＤＣバイアス制御などを実行することができる。
【０１３３】
さらに、第６実施例を実装した場合には、受信機７３のモニタ７２１２がメモリ７２１３に蓄積された生鍵から検出状態数Ｎ0,Ｎ1,Ｎ2,Ｎ3を計算し、その大小判定から得られた送信光信号状態の偏りの情報を制御部７２１１が光送受信器７２１５を通して送信機７１へ通知する。送信機７１の制御部７１０７は光送受信器７１０８を通して受信した送信光信号状態の偏り情報に基づいて位相制御部７１０４を制御し、その偏りを解消する方向に位相変調器７１０１の駆動電圧Ｖ0,Ｖ1,Ｖ2あるいはＶ3を調整する。
【０１３４】
なお、本実施例では、往復型の量子暗号鍵配布システムを例示したが、本発明は単一方向側の量子暗号鍵配布システムでも同様に適用可能である。
【実施例８】
【０１３５】
上記第１〜第７実施例では、受光器０および１としてＡＰＤに代表される光子検出器を用いたが、本発明における出力特性の調整が可能である限り電気的な受信器０および１を用いることも可能である。たとえば、伝送路を通して到達した電気信号を判定するための閾値を変化させることにより“０”／“１”の出力特性を調整することができる。
【０１３６】
図１９は受信信号のアイパターンと受信器の閾値ＶTHとの関係を示すグラフである。図１９の度数分布に示すように、“１”の分布をＤ1、“０”の分布をＤ2とすれば、受信信号を閾値ＶTHで判定した結果が常に正しいとは限らず、分布Ｄ1とＤ2との重なった部分で確率的に“１”と“０”とが誤って判定される。したがって、ある一定量の判定結果を蓄積することで上述したマーク率を計算し、それに基づいて閾値ＶTHを調整することで所望のマーク率の乱数を生成することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明は乱数生成一般に適用可能であり、特に秘匿性が重要な暗号鍵の品質管理に適する。たとえば量子物理学においてその安全性が保証されている量子暗号鍵配布における生成暗号鍵の品質管理に適する。量子暗号鍵配布技術に代表される、単一光子レベルの微小光検出によって乱数を生成する技術に利用可能である。また、量子暗号鍵配布プロトコルもＢＢ８４に限られず、Ｅ９１やＢ９２、差動位相シフトに情報をコーディングする方法といった、光子の量子状態に情報を載せて暗号鍵配布を行う技術に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】本発明の一実施形態による乱数品質管理装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は本発明の第１実施例による乱数品質管理装置を適用した量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図であり、（ｂ）は本実施例における光回路の動作を示すテーブルである。
【図３】（ａ）は、ＡＰＤをゲーテッドガイガーモードで駆動した場合の、ＡＰＤに印加するＤＣバイアスと受光効率との関係の一例を表すグラフであり、（ｂ）はその一部を拡大したグラフである。
【図４】本発明の第１実施例におけるＤＣバイアス制御を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２実施例による乱数品質管理装置を適用した量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図である。
【図６】第２実施例におけるＤＣバイアス制御を示すフローチャートである。
【図７】（ａ）は本発明の第３実施例による乱数品質管理装置を適用した量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図であり、（ｂ）は本実施例における光回路の動作を示すテーブルである。
【図８】第３実施例におけるＤＣバイアス制御を示すフローチャートである。
【図９】（ａ）は本発明の第４実施例による乱数品質管理装置を適用した量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図であり、（ｂ）は本実施例における光回路の動作を示すテーブルである。
【図１０】（ａ）は光子の到来に合わせて光子受信器にパルスバイアスを印加するゲーテッドガイガーモードの電圧波形図、（ｂ）はパルスバイアスのＤＣバイアスを上昇させた時の第１実施例に相当する電圧波形図、（ｃ）パルスバイアスのパルス電圧の高さを上昇させたときの電圧波形図である。
【図１１】第４実施例におけるパルスバイアス制御を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第５実施例による乱数品質管理装置を適用した量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）はパルスバイアス印加タイミングと受光効率との関係を説明するための電圧波形図である。
【図１４】（ａ）はゲートパルスの位相に対するＡＰＤ０およびＡＰＤ１のカウント数の分布の一例を示すグラフ、（ｂ）は同じく他の分布例を示すグラフである。
【図１５】第５実施例のパルスタイミング制御を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第６実施例による乱数品質管理装置を適用した量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図である。
【図１７】第６実施例の駆動電圧制御を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の一実施形態を適用した量子暗号鍵配布システムの一例を示すブロック図である。
【図１９】受信信号のアイパターンと受信器の閾値ＶTHとの関係を示すグラフである。
【図２０】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２１】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２２】一般的な秘匿増強方式を説明するための図である。
【図２３】（ａ）は選別鍵のマーク率に対するマーク率盗聴法によるＥｖｅの情報量の変化を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）のグラフのマーク率５０％付近の拡大図である。
【図２４】非特許文献６の記載に基づくマーク率改善方法の概要を示す図である。
【符号の説明】
【０１３９】
１  “０”出力部
２  “１”出力部
３  データ処理部
４  乱数品質モニタ
５  蓄積部
６  駆動制御部
１１，２１，３１,６１,７１  送信機（Ａｌｉｃｅ）
１２，２２，３２，６２，７２  伝送路
１３，２３，３３，６３，７３  受信機（Ｂｏｂ）
１３２,１３３  受光器
１３１  光カプラ
１３４、２１３、３１１、５０４  乱数品質モニタ
１３５、２１５  ＤＣバイアス調整器
１３６、５０５  蓄積部
４１１  パルス高さ調整器
５０１  パルスバイアス源
５０２  ハイブリッドジャンクション
５０３  判別器
５０６  タイミング調整器
６０１  光源
６０２  位相変調器
６０３  位相変調器駆動部
６０４  乱数源
【図１】
2007187698.tif 000003
【図２】
2007187698.tif 000004
【図３】
2007187698.tif 000005
【図４】
2007187698.tif 000006
【図５】
2007187698.tif 000007
【図６】
2007187698.tif 000008
【図７】
2007187698.tif 000009
【図８】
2007187698.tif 000010
【図９】
2007187698.tif 000011
【図１０】
2007187698.tif 000012
【図１１】
2007187698.tif 000013
【図１２】
2007187698.tif 000014
【図１３】
2007187698.tif 000015
【図１４】
2007187698.tif 000016
【図１５】
2007187698.tif 000017
【図１６】
2007187698.tif 000018
【図１７】
2007187698.tif 000019
【図１８】
2007187698.tif 000020
【図１９】
2007187698.tif 000021
【図２０】
2007187698.tif 000022
【図２１】
2007187698.tif 000023
【図２２】
2007187698.tif 000024
【図２３】
2007187698.tif 000025
【図２４】
2007187698.tif 000026