(57)【要約】【課題】位相変調を用いた量子秘密鍵配送において伝送レートを改善する。【解決手段】本発明による秘密鍵配送システムでは、送信機において、コヒーレントな連続する光パルス列の隣接パルス間の位相差を、モード選択鍵に基づいて、秘密鍵データに対応する位相変調を行う。一方、受信機においては、位相変調された光パルス列の隣接パルス間の位相差を、送信機と共有しているモード選択鍵に基づいて位相変調する。そして、この位相変調された隣接パルスをそれぞれ２分岐し、分岐経路間に隣接パルスのパルス間隔に等しい時間遅延を与えて合波することにより干渉させる。これによって送信機の秘密鍵データに対応する位相差を検出し、秘密鍵データを生成する。このように秘密鍵データを連続する光パルス列の隣接パルス間の位相差としてエンコードすることによって、光パルスあたりの伝送レートを改善することができる。【選択図】図５
2007116521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信機から受信機に秘密鍵データを配送する秘密鍵配送システムにおいて、
コヒーレントな連続する光パルス列の２つのパルスの位相差を、モード選択鍵に基づいて、秘密鍵データに対応して位相変調する第１の位相変調手段を含む送信機と、
前記送信機の第１の位相変調手段により位相変調された２つのパルスの位相差を、前記モード選択鍵に基づいて位相変調する第２の位相変調手段と、前記第２の位相変調手段により位相変調された２つのパルスの位相差から前記秘密鍵データを生成する秘密鍵生成手段とを含む受信機と
を備えたことを特徴とする秘密鍵配送システム。
【請求項２】
請求項１に記載の秘密鍵配送システムにおいて、
前記第１の位相変調手段は、前記光パルス列の２つのパルスの位相差を、モード選択鍵をｍとして、秘密鍵データの値に対応して、ｍδまたはｍδ＋πのいずれかで位相変調する（但し、δ＝π／Ｍ、Ｍは整数、ｍは０≦ｍ≦Ｍ−１を満たす整数）ことを特徴とする秘密鍵配送システム。
【請求項３】
請求項２に記載の秘密鍵配送システムにおいて、
前記第２の位相変調手段は、前記第１の位相変調手段により位相変調された２つのパルスの位相差を、前記モード選択鍵ｍを用いて、−ｍδで位相変調することを特徴とする秘密鍵配送システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の秘密鍵配送システムにおいて、
前記秘密鍵生成手段は、前記第２の位相変調手段により位相変調された２つのパルスをそれぞれ２分岐し、分岐した経路間に前記２つのパルスのパルス間隔に等しい時間遅延を与えて合波することにより干渉させて前記２つのパルスの位相差を検出することを特徴とする秘密鍵配送システム。
【請求項５】
送信機から受信機に秘密鍵データを配送する秘密鍵配送方法であって、
前記送信機において、
コヒーレントな連続する光パルス列の２つのパルスの位相差を、モード選択鍵に基づいて、秘密鍵データに対応して位相変調する第１の位相変調ステップと、
前記受信機において、
前記第１の位相変調ステップにより位相変調された２つのパルスの位相差を、前記モード選択鍵に基づいて位相変調する第２の位相変調ステップと、
前記第２の位相変調ステップにより位相変調された２つのパルスの位相差から前記秘密鍵データを生成する秘密鍵生成ステップと
を含むことを特徴とする秘密鍵配送方法。
【請求項６】
請求項５に記載の秘密鍵配送方法において、
前記第１の位相変調ステップは、前記光パルス列の２つのパルスの位相差を、モード選択鍵をｍとして、秘密鍵データの値に対応して、ｍδまたはｍδ＋πのいずれかで位相変調する（但し、δ＝π／Ｍ、Ｍは整数、ｍは０≦ｍ≦Ｍ−１を満たす整数）ことを特徴とする秘密鍵配送方法。
【請求項７】
請求項６に記載の秘密鍵配送方法において、
前記第２の位相変調ステップは、前記第１の位相変調ステップにより位相変調された２つのパルスの位相差を、前記モード選択鍵ｍを用いて、−ｍδで位相変調することを特徴とする秘密鍵配送方法。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれかに記載の秘密鍵配送方法において、
前記秘密鍵生成ステップは、前記第２の位相変調ステップにより位相変調された２つのパルスをそれぞれ２分岐し、分岐した経路間に２つのパルスのパルス間隔に等しい時間遅延を与えて合波することにより干渉させて前記２つのパルスの位相差を検出することを特徴とする秘密鍵配送方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、暗号通信に用いる秘密鍵配送技術に関し、特に、量子雑音を利用した秘密鍵配送技術に関する。
【０００２】
暗号通信の方式の中で、秘密鍵方式と呼ばれるものがある。秘密鍵方式は、送信者と受信者の間で共通の秘密鍵を用いて暗号通信を行うものである。この方式では、あらかじめ送信者と受信者の間で共通の秘密鍵を共有する。送信者は、送付したいメッセージを秘密鍵により暗号化し、受信者に送付する。そして、受信者は、暗号化されたメッセージを秘密鍵により復号化する。この秘密鍵方式では、安全な秘密鍵が送信者と受信者との間で共有できれば、安全な暗号通信が実現される。そのため、この方式では、秘密鍵をいかにして安全に共有するかが問題となる。そこで、秘密鍵を共有する手段として、量子雑音を利用した秘密鍵配送技術が研究されている。
【０００３】
図１に、量子雑音を利用した秘密鍵配送システムの基本構成例を示す。送信者は、送信機２０より光信号を秘密鍵データで変調して送信する。この光信号は、伝送路３０を伝搬する。受信者は、受信機４０で光信号を受信して秘密鍵データを復調する。ここで、送信者および受信者は、あらかじめ共通のモード選択鍵を保有しているものとし、モード選択鍵と秘密鍵データに従って光信号を変調および復調して、秘密鍵データの送信および受信を行う。これにより、モード選択鍵を有する正規の受信者は、モード選択鍵により秘密鍵データを正しく復調することができる一方、モード選択鍵を有していない盗聴者は、量子雑音のために秘密鍵データを正しく復調することができない。
【０００４】
【非特許文献１】原澤ほか、「光通信量子暗号伝送方式の原理実験」、電子情報通信学会、２００４年通信ソサエティ大会、Ｂ−１０−３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
秘密鍵データの変復調の方法としては、光の偏波を用いたものや強度を用いたもの（非特許文献１）、位相を用いたものなどが提案されている。送信者と受信者との間の通信は、光ファイバを介して行われるのが一般的であるが、光ファイバによる伝送では、偏波状態は保持されない。このため偏波を用いた変調・復調方式は、ファイバ伝送には適さないという問題がある。また、光の強度を用いたものは、ビットごとに受信しきい値を切り替える必要があり、この実装は容易ではない。例えば、具体的な実装方法として、しきい値の異なる受信機をモードの数だけ用意してビットごとに対応する受信機を切り替える構成が考えられる。しかし、この方法では、モード数が多くなるにつれて、多くの受信機が必要となり、装置が大規模化するという問題がある。また、量子雑音による光の強度の揺らぎは、信号光のレベルによって異なるので、多値のレベル間隔は等間隔ではなく、レベルに応じて間隔を設定する必要がある。そのため、正規の受信者には判別可能で、盗聴者には判別不可能となるように信号のレベルを設定するのが、特にモード数が多くなると、煩雑になるという問題がある。
【０００６】
一方、位相を用いたものは、このような問題がなく、簡単な構成でしきい値設定が容易になるという利点がある。しかしながら、従来の方式では、秘密鍵データをパルス対の位相差として送受信していた。そのため、１ビットを伝送するために、２つのパルスを必要とする。これは、１つのパルスで１ビットを伝送できる他の方式に比べて、伝送レートが劣るという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、位相変調を用いた量子秘密鍵配送において、伝送レートを改善することのできるシステムおよび方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、送信機から受信機に秘密鍵データを配送する秘密鍵配送システムにおいて、コヒーレントな連続する光パルス列の２つのパルスの位相差を、モード選択鍵に基づいて、秘密鍵データに対応して位相変調する第１の位相変調手段を含む送信機と、前記送信機の第１の位相変調手段により位相変調された２つのパルスの位相差を、前記モード選択鍵に基づいて位相変調する第２の位相変調手段と、前記第２の位相変調手段により位相変調された２つのパルスの位相差から前記秘密鍵データを生成する秘密鍵生成手段とを含む受信機とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の秘密鍵配送システムにおいて、前記第１の位相変調手段は、前記光パルス列の２つのパルスの位相差を、モード選択鍵をｍとして、秘密鍵データの値に対応して、ｍδまたはｍδ＋πのいずれかで位相変調する（但し、δ＝π／Ｍ、Ｍは整数、ｍは０≦ｍ≦Ｍ−１を満たす整数）ことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の秘密鍵配送システムにおいて、前記第２の位相変調手段は、前記第１の位相変調手段により位相変調された２つのパルスの位相差を、前記モード選択鍵ｍを用いて、−ｍδで位相変調することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の秘密鍵配送システムにおいて、前記秘密鍵生成手段は、前記第２の位相変調手段により位相変調された２つのパルスをそれぞれ２分岐し、分岐した経路間に前記２つのパルスのパルス間隔に等しい時間遅延を与えて合波することにより干渉させて前記２つのパルスの位相差を検出することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明は、送信機から受信機に秘密鍵データを配送する秘密鍵配送方法であって、前記送信機において、コヒーレントな連続する光パルス列の２つのパルスの位相差を、モード選択鍵に基づいて、秘密鍵データに対応して位相変調する第１の位相変調ステップと、前記受信機において、前記第１の位相変調ステップにより位相変調された２つのパルスの位相差を、前記モード選択鍵に基づいて位相変調する第２の位相変調ステップと、前記第２の位相変調ステップにより位相変調された２つのパルスの位相差から前記秘密鍵データを生成する秘密鍵生成ステップとを含むことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の秘密鍵配送方法において、前記第１の位相変調ステップは、前記光パルス列の２つのパルスの位相差を、モード選択鍵をｍとして、秘密鍵データの値に対応して、ｍδまたはｍδ＋πのいずれかで位相変調する（但し、δ＝π／Ｍ、Ｍは整数、ｍは０≦ｍ≦Ｍ−１を満たす整数）ことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の秘密鍵配送方法において、前記第２の位相変調ステップは、前記第１の位相変調ステップにより位相変調された２つのパルスの位相差を、前記モード選択鍵ｍを用いて、−ｍδで位相変調することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項８に記載の発明は、請求項５ないし７のいずれかに記載の秘密鍵配送方法において、前記秘密鍵生成ステップは、前記第２の位相変調ステップにより位相変調された２つのパルスをそれぞれ２分岐し、分岐した経路間に２つのパルスのパルス間隔に等しい時間遅延を与えて合波することにより干渉させて前記２つのパルスの位相差を検出することを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
（位相変調を用いた量子秘密鍵配送システム）
図２に、位相変調を用いた量子秘密鍵配送システムの構成例を示す。この秘密鍵配送システム１０では、コヒーレントな２つの連続する光パルスをモード選択鍵および秘密鍵データで位相変調して送信する送信機２０と、位相変調された光パルスを伝搬する伝送路３０と、位相変調された２つの連続する光パルスを受信して秘密鍵データを復調する受信機４０とから構成されている。
【００１８】
送信機２０では、コヒーレントパルス光源２２からコヒーレントな２つの連続する光パルスが出力され、位相変調器２４で２つの連続する光パルスのうちの最初のパルスに位相変調が加えられ、２番目のパルスには位相変調が加えられない。送信機２０からのこれら２つの連続する光パルスは、光ファイバなどの伝送路３０を介して受信機４０に伝送される。
【００１９】
受信機４０では、位相変調器４２で２つの連続する光パルスのうちの最初のパルスに位相変調が加えられ、２番目のパルスには位相変調が加えられない。その後、これらの連続する光パルスは、光カップラ４４ａで２分岐され、一方に遅延手段４５で時間遅延が与えられた後、２×２光カップラ４４ｂにより再び合波される。ここで、遅延手段４５による時間遅延は、２つの連続する光パルスのパルス間隔に等しいものとする。合波カップラ４４ｂからの出力は、それぞれ光強度検出器４６ａおよび４６ｂによって検出され、差動検波器４８によりこれらの検出器の出力が差動検波され、秘密鍵データが復元される。
【００２０】
図３は、秘密鍵配送システム１０における位相変調について説明するための図である。図３に示すように、０から２πまでの位相を２Ｍで等分割し（Ｍ：整数）、モード選択鍵および送信データ（秘密鍵データ）の組み合わせに従ってひとつの位相を選択する。位相変調器２４では、この選択した位相により、２つの連続するパルスの最初のパルスを位相変調する。
【００２１】
図３では、等分割された位相のひとつがｍδまたはｍδ＋πとして表されている（但し、ｍは０≦ｍ≦（Ｍ−１）の整数、δ＝π／Ｍ）。ここで、｛ｍδ，ｍδ＋π｝をひとつのモードとし、ｍはモード番号を表すものとする。これより、全モード数はＭとなることが分かる。そして、各位相値と送信データビットの対応付けを、ｍが偶数ならば｛ｍδ＝「０」，ｍδ＋π＝「１」｝とし、ｍが奇数ならば｛ｍδ＝「１」，ｍδ＋π＝「０」｝とする。このようにして、送信機２０の位相変調器２４は、モード選択鍵と送信データに対応する位相を選択して、最初のパルスを位相変調する。
【００２２】
一方、受信機４０の位相変調器４２は、送信機２０とあらかじめ共有しているモード選択鍵に従って、受信した２つの連続する光パルスの最初のパルスを位相変調（復調）する。このとき加える位相変調は、モードｍに対して−ｍδの位相変調とする。このような位相変調を加えると、位相変調器４２の出力段での２つの連続するパルスの位相関係は、｛０，０｝または｛π，０｝のいずれかとなる。いずれになるかは、送信機２０から送信される送信データに依存する。
【００２３】
位相変調器４２からの出力は次いで、光カップラ４４ａで２分岐され、分岐した２つの経路間で２つの連続する光パルスのパルス間隔に等しい時間差が遅延手段４５により与えられる。長経路を通った最初のパルスと短経路を通った２番目のパルスは、合波カップラ４４ｂで干渉し、パルス間の位相差に応じて、光強度検出器４６ａまたは４６ｂで干渉光が検出される。２つの経路の伝搬位相差を０とすると、光カップラ４４ａでの２つの連続する光パルスの位相関係が｛０，０｝であれば光強度検出器４６ｂで、｛π，０｝であれば光強度検出器４６ａで干渉光が検出される。
【００２４】
次に、これら２つの光強度検出器からの電気信号が差動検出器４８で差動検波される。光強度検出器４６ａからの出力信号電圧をＶ１とし、光強度検出器４６ｂからの出力信号電圧をＶ２とすると、この差動検出器４８からはＶ１−Ｖ２という信号が出力される。すなわち、２つの連続する光パルスの位相が｛０，０｝であれば｛Ｖ１＝０，Ｖ２＝ｖ｝、｛π，０｝であれば｛Ｖ１＝ｖ，Ｖ２＝０｝となる。したがって、差動検波器４８からの出力は、位相｛０，０｝のときに−ｖ、位相｛π，０｝のときにｖとなる。
【００２５】
前述のように、位相が｛０，０｝であるか｛π，０｝であるかは、送信される２つの連続する光パルスの位相によって決まる。受信機４０は、送信機２０と共通のモード選択鍵を保持しているため、差動検波器４８の出力から送信データのビットを正しく判定することができる。このようにして、送信機２０と受信機４０との間で秘密鍵の送受信が可能となる。
【００２６】
上記のシステムが盗聴に対して安全である理由は以下の通りである。一般に、位相値を知るためには、位相空間上の点をある軸に射影して測定する。図４は、位相測定の様子を示している。図４では、位相空間上の点をｘ軸に射影する例を示している。具体的な射影方法としては、例えば、遅延マッハツェンダ干渉計により２つのパルスを干渉させると、ｃｏｓ（θ）という信号が得られ、これはｘ軸への射影測定と等価となる。しかし、ｘ軸への射影だけではθと２π−θの区別がつかないので、０から２πまでの任意の位相を識別するには、信号を２分岐し、一方についてｘ軸の射影測定を、他方についてはｙ軸への射影測定を行う。また、射影軸の設定は、例えば、遅延マッハツェンダ干渉計の２つの経路の位相差を調整することにより可能である。
【００２７】
正規の受信機４０は、送信機２０と共通のモード選択鍵を保持しているため、｛０，π｝の位相差を識別することができれば、送信データを正しく判定することができる。これは、図４においてｘ軸上の最も離れた２点を判別することに相当する。これに対して、モード情報（モード選択鍵）を知らない盗聴者は、０からπまでのＭ分割された位相をすべて判別しなければならない。すなわち、ｘ軸上に射影される近接した２点を判別しなければならない。この場合、信号レベルには量子雑音揺らぎが存在し、レベル設定が適切であれば、離れた２値の信号レベルは判別可能であるが、多値の近接する２点間の信号レベルは判別不可能となる。すなわち、モード情報を有する正規の受信機は、送信データを正しく判定することができる一方、モード情報を有していない盗聴者は、送信データを正しく判定できないようにすることができる。
【実施例】
【００２８】
図５は、本発明の実施例による量子雑音を利用した秘密鍵配送システムの構成例を示している。この秘密鍵配送システム１００は、コヒーレントな連続する光パルス列をモード選択鍵および秘密鍵データで位相変調して送信する送信機２００と、位相変調された光パルス列を伝搬する伝送路３００と、位相変調された連続する光パルス列を受信して秘密鍵データを復調する受信機４００とから構成されている。
【００２９】
送信機２００は、コヒーレントな連続する光パルス列を出力するコヒーレントパルス光源２２０と、モード選択鍵および秘密鍵データに従って光パルス列のそれぞれを位相変調する位相変調器２４０とを備えている。また、受信機４００は、位相変調された各光パルスをモード選択鍵に従って位相変調する位相変調器４２０と、各パルスを２分岐する光カップラ４４０ａと、２分岐した光パルス間に時間差を与える遅延手段４５０と、時間差が与えられた光パルスを再び合波する２×２光カップラ４４０ｂとを備えている。さらに、受信機４００は、光カップラ４４０ｂの２つの出力をそれぞれ検出する光強度検出器４６０ａおよび４６０ｂと、光強度検出器４６０ａおよび４６０ｂの出力を差動検波する差動検波器４８０とを備えている。
【００３０】
送信機２００では、コヒーレントパルス光源２２０からコヒーレントな連続する光パルス列が一定間隔で出力され、位相変調器２４０で光パルス列のそれぞれに後述する手順に従って位相変調が加えられる。送信機２００からの光パルス列は、伝送路３００を介して受信機４００に伝送される。受信機４００では、光パルス列が受信され、位相変調器４２０で各パルスに後述する手順に従って位相変調が加えられる。位相変調器４２０からの出力は、光カップラ４４０ａで２分岐され、一方に遅延手段４５０で時間遅延が与えられた後、２×２光カップラ４４０ｂにより再び合波される。ここで、遅延手段４５０による時間遅延は、連続する光パルス列における隣接する２つのパルスのパルス間隔に等しいものとする。合波カップラ４４０ｂからの出力は、それぞれ光強度検出器４６０ａおよび４６０ｂによって検出され、差動検波器４８０によりこれら検出器の出力が差動検波され、秘密鍵データが復元される。
【００３１】
（位相変調）
次に、位相変調器２４０および４２０における変復調の方法について説明する。上記の図３の場合と同様に、０から２πまでの位相を２Ｍで等分割し（Ｍ：整数）、モード選択鍵および送信データ（秘密鍵データ）の組み合わせに従ってひとつの位相を選択する。位相変調器２４０では、この選択した位相により、連続する光パルス列の各パルスを１つ前のパルスを基準として位相変調する。
【００３２】
図３に示すように、等分割された位相のひとつをｍδまたはｍδ＋πとして表す（但し、ｍは０≦ｍ≦（Ｍ−１）の整数、δ＝π／Ｍ）。ここで、｛ｍδ，ｍδ＋π｝をひとつのモードとし、ｍはモード番号を表すものとする。これより、全モード数はＭとなることが分かる。
【００３３】
（送信機における位相変調）
送信機における位相変調は、次のように行われる。連続する光パルス列の各パルスに対して、モード選択鍵に従って個々にモードｍを割り当てる。ここで、ｉ番目のパルス（ｉは正の整数）に対するモードをｍ（ｉ）とすると、ｉ−１番目のパルスのモードはｍ（ｉ−１）と表される。さらに、連続する光パルス列の各パルスに対して秘密鍵データに従って個々に０またはπの位相Δを割り当てる。ここで、ｉ番目のパルスに対する秘密鍵データによる位相をΔ（ｉ）とすると、ｉ−１番目のパルスの位相はΔ（ｉ−１）と表される。
【００３４】
そして、位相変調器２４０では、秘密鍵データのビット「０」または「１」に対して、以下のように位相変調を各パルスに印加する。 
ケース（Ｓ−ａ）：「ｍ（ｉ−１）−ｍ（ｉ）が偶数」で「Δ（ｉ−１）＝０」の場合、
ビット「０」に対して、Δ（ｉ）＝０として、ｍ（ｉ）δを印加し、
ビット「１」に対して、Δ（ｉ）＝πとして、ｍ（ｉ）δ＋πを印加する。
ケース（Ｓ−ｂ）：「ｍ（ｉ−１）−ｍ（ｉ）が偶数」で「Δ（ｉ−１）＝π」の場合、
ビット「１」に対して、Δ（ｉ）＝０として、ｍ（ｉ）δを印加し、
ビット「０」に対して、Δ（ｉ）＝πとして、ｍ（ｉ）δ＋πを印加する。
ケース（Ｓ−ｃ）：「ｍ（ｉ−１）−ｍ（ｉ）が奇数」で「Δ（ｉ−１）＝０」の場合、
ビット「１」に対して、Δ（ｉ）＝０として、ｍ（ｉ）δを印加し、
ビット「０」に対して、Δ（ｉ）＝πとして、ｍ（ｉ）δ＋πを印加する。
ケース（Ｓ−ｄ）：「ｍ（ｉ−１）−ｍ（ｉ）が奇数」で「Δ（ｉ−１）＝π」の場合、
ビット「０」に対して、Δ（ｉ）＝０として、ｍ（ｉ）δを印加し、
ビット「１」に対して、Δ（ｉ）＝πとして、ｍ（ｉ）δ＋πを印加する。
【００３５】
（受信機における位相変調）
受信機における位相変調は、次のように行われる。受信機４００では、受信した連続する光パルス列の各パルスに対して、あらかじめ送信者と共有しているモード選択鍵に基づいて位相変調を加える。具体的には、位相変調器４２０で加える位相変調は、モードｍ（ｉ）に対して−ｍ（ｉ）δとする。このような位相変調を加えると、位相変調器４２０の出力段での隣接する２つのパルス間の位相関係｛Δ（ｉ），Δ（ｉ−１）｝は、｛０，０｝、｛０，π｝、｛π，０｝、｛π，π｝のいずれかとなる。いずれになるかは、送信機２００から送信される送信データに依存する。
【００３６】
位相変調器４２０からの出力は次いで、光カップラ４４０ａで２分岐され、遅延手段４５０を介して、合波カップラ４４０ｂで再び合波される。ここで、遅延手段４５０の長経路と短経路の時間差が光パルス列のパルス間隔に等しく設定されているので、長経路を通ったｉ−１番目のパルスと短経路を通ったｉ番目のパルスが合波カップラ４４０ｂで干渉する。この干渉により、光強度検出器４６０ａまたは４６０ｂで光パルスが検出される。遅延手段４５０の２つの経路の伝搬位相差が０とすると、位相変調器４２０から光カップラ４４０ａに入力される光パルス列の隣接するパルス間の位相関係が｛０，０｝または｛π，π｝であれば光強度検出器４６０ｂで、｛０，π｝または｛π，０｝であれば光強度検出器４６０ａで干渉光が検出される。
【００３７】
次に、これら２つの光強度検出器からの電気信号が差動検出器４８０で差動検波される。光強度検出器４６０ａからの出力信号電圧をＶ１とし、光強度検出器４６０ｂからの出力信号電圧をＶ２とすると、この差動検出器４８０からはＶ１−Ｖ２という信号が出力される。すなわち、光パルス列の隣接するパルス間の位相差が０、すなわち｛０，０｝または｛π，π｝のとき｛Ｖ１＝０，Ｖ２＝ｖ｝となり、差動検波器４８０から−ｖが出力される。他方、光パルス列の隣接するパルス間の位相差がπ、すなわち｛０，π｝または｛π，０｝のとき｛Ｖ１＝ｖ，Ｖ２＝０｝となり、差動検波器４８０からｖが出力される。
【００３８】
そして、検出された位相差に対して、以下のようにビットを割り当てる。
ケース（Ｒ−ａ）：「ｍ（ｉ−１）−ｍ（ｉ）が偶数」で「パルス間の位相差が０（すなわち、｜Δ（ｉ−１）−Δ（ｉ）｜＝０）」の場合、ビット「０」とする。
ケース（Ｒ−ｂ）：「ｍ（ｉ−１）−ｍ（ｉ）が偶数」で「パルス間の位相差がπ（すなわち、｜Δ（ｉ−１）−Δ（ｉ）｜＝π）」の場合、ビット「１」とする。
ケース（Ｒ−ｃ）：「ｍ（ｉ−１）−ｍ（ｉ）が奇数」で「パルス間の位相差が０（すなわち、｜Δ（ｉ−１）−Δ（ｉ）｜＝０）」の場合、ビット「１」とする。
ケース（Ｒ−ｄ）：「ｍ（ｉ−１）−ｍ（ｉ）が奇数」で「パルス間の位相差がπ（すなわち、｜Δ（ｉ−１）−Δ（ｉ）｜＝π）」の場合、ビット「０」とする。
【００３９】
以上のような位相の変調および復調により、送信機２００と受信機４００の間で秘密鍵データの送受信が可能となる。例えば、送信機２００において、ｍ（ｉ−１）−ｍ（ｉ）が偶数であり、Δ（ｉ−１）が０の場合、すなわちケース（Ｓ−ａ）のときに、秘密鍵データ「０」を伝送するには、送信機２００から送出されるｉ−１番目のパルスとｉ番目のパルスの位相関係は｛ｍ（ｉ−１）δ，ｍ（ｉ）δ｝となる。受信機４００では、これら２つの隣接するパルス対に対して、モード選択鍵のモードにより、それぞれ−ｍ（ｉ−１）δ、−ｍ（ｉ）δを印加する。これにより、位相変調器４２０の出力での位相関係は｛０，０｝となる。この位相関係を有する隣接パルス対が光カップラ４４０ａ、遅延手段４５０および合波カップラ４４０ｂを通って干渉すると、光強度検出器４６０ｂで干渉光が検出され、差動検波器４８０の出力に−ｖを生じる。これにより、ｉ−１番目のパルスとｉ番目のパルスの位相差が０であることが分かり、さらにモード選択鍵からｍ（ｉ−１）−ｍ（ｉ）が偶数であることが分かる。これは、ケース（Ｒ−ａ）に相当するので、秘密鍵データのビット「０」が得られる。
【００４０】
また、同じくケース（Ｓ−ａ）のときに、秘密鍵データ「１」を伝送するには、送信機２００から送出されるｉ−１番目のパルスとｉ番目のパルスの位相関係は、｛ｍ（ｉ−１）δ，ｍ（ｉ）δ＋π｝となる。受信機４００では、これら２つの隣接するパルス対に対して、モード選択鍵のモードにより、それぞれ−ｍ（ｉ−１）δ、−ｍ（ｉ）δを印加する。これにより、位相変調器４２０の出力での位相関係は｛０，π｝となる。この位相関係を有する隣接パルス対が光カップラ４４０ａ、遅延手段４５０および合波カップラ４４０ｂを通って干渉すると、光強度検出器４６０ａで干渉光が検出され、差動検波器４８０の出力にｖを生じる。これにより、ｉ−１番目のパルスとｉ番目のパルスの位相差がπであることが分かり、さらにモード選択鍵からｍ（ｉ−１）−ｍ（ｉ）が偶数であることが分かる。これは、ケース（Ｒ−ｂ）に相当することので、秘密鍵データのビット「１」が得られる。他のケースについても同様である。以上のように、受信機４００は、送信機２００とモード選択鍵を共有しているので、差動検波器４８０からの出力により送信データが「０」であるか、「１」であるかを判定することができる。
【００４１】
（伝送レート）
次に、図６を参照して、通常の位相変調方式の伝送レートと、本発明による位相変調方式の伝送レートについて説明する。図６（ａ）は、通常の位相変調方式において１ビットを伝送するために必要な光パルスのタイムスロットを示し、図６（ｂ）は、本発明による位相変調方式において３ビットを伝送するために必要な光パルスのタイムスロットを示している。
【００４２】
通常の位相変調方式では、１ビットを伝送するのに送信側で２つの光パルスを必要とする。すなわち、ｎ個の光パルスで伝送できるビット数はｎ／２となる。一方、本発明による位相変調方式では、３ビットを伝送するのに送信側で４つの光パルスを必要する。すなわち、ｎ個の光パルスで伝送できるビット数はｎ−１個となる。
【００４３】
このように、通常の位相変調方式では、１つの光パルスあたり１／２ビットしか伝送することができないのに対して、本発明による位相変調方式では、１つの光パルスあたりｎ／（ｎ−１）ビット伝送することができる。ｎが十分大きい場合は、本発明による位相変調方式では、１つの光パルスあたりほぼ１ビット伝送できることになり、従来の位相変調方式に比べ、ほぼ２倍の伝送レートを実現することができる。
【００４４】
以上、本発明について、実施例に基づき具体的に説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施例は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、上記の実施例では、連続する光パルス列の隣接するパルス間の位相に秘密鍵データをエンコードしたが、連続する光パルス列の任意の２つのパルス間の位相に秘密鍵データをエンコードしてもよい。このように、ここに例示した実施例は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】量子秘密鍵配送システムの基本的な構成例を示す図である。
【図２】位相変調を用いた従来の量子秘密鍵配送システムの構成例を示す図である。
【図３】位相変調を用いた量子秘密鍵配送システムにおける位相変調について説明するための図である。
【図４】位相変調を用いた量子秘密鍵配送システムにおける位相測定について説明するための図である。
【図５】位相変調を用いた本発明による量子秘密鍵配送システムの構成例を示す図である。
【図６】位相変調を用いた量子秘密鍵配送システムの伝送レート示す図であり、図６（ａ）は従来の位相変調方式の場合を示し、図６（ｂ）は本発明による位相変調方式の場合を示している。
【符号の説明】
【００４６】
１０  量子秘密鍵配送システム
２０  送信機
２２  コヒーレントパルス光源
２４  位相変調器
３０  伝送路
４０  受信機
４２  位相変調器
４４ａ，４４ｂ  光カップラ
４５  遅延手段
４６ａ，４６ｂ  光強度検出器
４８  差動検波器
１００  量子秘密鍵配送システム
２００  送信機
２２０  コヒーレントパルス光源
２４０  位相変調器
３００  伝送路
４００  受信機
４２０  位相変調器
４４０ａ，４４０ｂ  光カップラ
４５０  遅延手段
４６０ａ，４６０ｂ  光強度検出器
４８０  差動検波器
【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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