(57)【要約】【課題】盗聴の有無を判定可能であり、量子暗号生成に関する情報を受信する装置において不正行為があった場合（内部不正者が存在する場合）であっても、量子暗号鍵（秘密鍵）の秘匿性を確保可能な量子暗号鍵共有システムおよび盗聴検知方法を提供すること。【解決手段】光送信機１は、一連のＮ個のタイムスロットの前後（０番目およびＮ＋１）のタイムスロットを空にした、１〜Ｎ番のＮ個のタイムスロットにより張られた量子もつれ光子対の一方を光受信機５へ、他方を光受信機１１へと送る。Ｎ＋２番目タイムスロット公開手段は、Ｎ＋２番目のタイムスロットの番号を公開し、該公開された番号に基づいて、光子存在判定手段３５は、Ｎ＋２番目のタイムスロットで光子を検出したかを判断する。【選択図】図３
2007288610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムであって、
前記第１の装置は、
Ｎを自然数として、一連の１からＮのタイムスロット番号の前後のタイムスロット番号をタイムスロット番号０、タイムスロット番号Ｎ＋１とすると、前記タイムスロット番号０からＮ＋１の計Ｎ＋２個のタイムスロット番号を有し、前記タイムスロット番号０および前記タイムスロット番号Ｎ＋１において光子が存在する確率がゼロであり、タイムスロット番号１からタイムスロット番号ＮまでのＮ個のタイムスロット番号を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を、Ｎをランダムに変化させて連続して発生する量子もつれ光子発生手段であって、前記量子もつれ光子対は、所定のタイムスロット番号と該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生手段と、
前記タイムスロット番号Ｎ＋２に関する第１の情報を取得する第１の取得手段と、
前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離手段とを備え、
前記所定のタイムスロット番号と、該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の時間間隔は、所定の時間間隔であり、
前記第２の装置は、
前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第１の遅延手段と、
前記第１の遅延手段に接続された第１の光子検出器と、
前記第１の遅延手段に接続された第２の光子検出器と、
前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第２の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第３の情報を記録する第２の記憶手段と、
前記第１の情報を入力する第１の入力手段と、
前記入力された第１の情報に基づいて前記第２の記憶手段に記録された前記第２の情報を参照して、前記タイムスロット番号Ｎ＋２に関する前記第３の情報を取得する第２の取得手段とを備え、
前記第３の装置は、
前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第２の遅延手段と、
前記第２の遅延手段に接続された第３の光子検出器と、
前記第２の遅延手段に接続された第４の光子検出器と、
前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第４の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第５の情報を記録する第３の記憶手段と、
前記第１の情報を入力する第２の入力手段と、
前記入力された第１の情報に基づいて前記第３の記憶手段に記録された前記第４の情報を参照して、前記タイムスロット番号Ｎ＋２に関する前記第５の情報を取得する第３の取得手段とを備え、
前記第１の装置および前記第２の装置の少なくとも一方は、前記第１の情報と前記第２の情報とに基づいて、前記タイムスロット番号Ｎ＋２で、前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器のいずれか一方が光子を検出したか否かを判断する第１の判断手段と、
前記第１の装置および前記第３の装置の少なくとも一方は、前記第１の情報と前記第３の情報とに基づいて、前記タイムスロット番号Ｎ＋２で、前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器のいずれか一方が光子を検出したか否かを判断する第２の判断手段と
を備えることを特徴とする量子暗号鍵共有システム。
【請求項２】
互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムであって、
前記第１の装置は、
時間的な相関がある量子もつれ光子対であって、複数のタイムスロット番号を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生手段であって、該量子もつれ光子対は、所定のタイムスロット番号と該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生手段と、
前記タイムスロット番号に関する第１の情報と、前記タイムスロット番号の各々における、変調の状態を示す第２の情報とを、前記タイムスロット番号の各々について記録する第１の記憶手段と、
前記タイムスロット番号の各々について、前記第１の記憶手段に記録された第１の情報および第２の情報に基づいて、前記所定のタイムスロット番号と該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の相対位相差が０であるかπであるかを示す第３の情報を取得する第１の取得手段と、
前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離手段とを備え、
前記所定のタイムスロット番号と、該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の時間間隔は、所定の時間間隔であり、
前記第２の装置は、
前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第１の遅延手段と、
前記第１の遅延手段に接続された第１の光子検出器と、
前記第１の遅延手段に接続された第２の光子検出器と、
前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第４の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第５の情報を記録する第２の記憶手段とを備え、
前記第３の装置は、
前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第２の遅延手段と、
前記第２の遅延手段に接続された第３の光子検出器と、
前記第２の遅延手段に接続された第４の光子検出器と、
前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第６の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第７の情報を記録する第３の記憶手段とを備え、
前記相対位相差に応じて、前記タイムスロット番号の各々における、前記第２および第３の装置の、光子を検出する光子検出器が決まり、
前記第２の装置の光子検出器と、前記第３の装置の光子検出器との間には、前記相対位相差が０の場合は第１の相関があり、かつ前記相対位相差がπの場合は第２の相関があり、
前記第１の装置、第２の装置および第３の装置の少なくとも１つは、
前記取得された第３の情報から、前記複数のタイムスロット番号の少なくとも１つのタイムスロット番号に対応する相対位相差を示す第８の情報と、前記第５の情報から前記少なくとも１つのタイムスロット番号に対応する、第１または第２のどちらの光子検出器で前記光子が検出されたかを示す第９の情報と、前記第７の情報から前記少なくとも１つのタイムスロット番号に対応する、第３または第４のどちらの光子検出器で前記光子が検出されたかを示す第１０の情報とを取得する第２の取得手段と、
前記第８、第９および第１０の情報に基づいて、前記少なくとも１つのタイムスロット番号において、前記相対位相差に対する、前記第２および第３の装置の光子検出器の相関が正しいか否かを判断する判断手段と
を備えることを特徴とする量子暗号鍵共有システム。
【請求項３】
互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムにおいて、盗聴を検知する盗聴検知方法であって、
前記第１の装置が、Ｎを自然数として、一連の１からＮのタイムスロット番号の前後の時間位置をタイムスロット番号０、タイムスロット番号Ｎ＋１とすると、前記タイムスロット番号０からＮ＋１の計Ｎ＋２個のタイムスロット番号を有し、前記タイムスロット番号０および前記タイムスロット番号Ｎ＋１において光子が存在する確率がゼロであり、タイムスロット番号１からタイムスロット番号ＮまでのＮ個のタイムスロット番号を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を、Ｎをランダムに変化させて連続して発生する量子もつれ光子発生工程であって、前記量子もつれ光子対は、所定のタイムスロット番号と該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生工程と、
前記第１の装置が、前記タイムスロット番号Ｎ＋２に関する第１の情報を取得する第１の取得工程と、
前記第１の装置が、前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離工程と、
前記第２の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波し、前記第３の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する遅延合波工程と、
前記第２の装置が、前記遅延合波工程にて合波した光を、前記第２の装置が備える第１の光子検出器または第２の光子検出器にて検出し、前記第３の装置が、前記遅延合波工程にて合波した光を、前記第３の装置が備える第３の光子検出器または第４の光子検出器にて検出する検出工程と、
前記第２の装置が、前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第２の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第３の情報を記録し、前記第３の装置が、前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第４の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第５の情報を記録する第２の記憶工程と、
前記第１の情報を前記第２の装置および前記第３の装置に入力する入力工程と、
前記第２の装置が、前記入力された第１の情報に基づいて前記第２の情報を参照して、前記時タイムスロット番号Ｎ＋２に関する前記第３の情報を取得し、前記第３の装置が、前記入力された第１の情報に基づいて前記第４の情報を参照して、前記タイムスロット番号Ｎ＋２に関する前記第５の情報を取得する第２の取得工程とを有し、
前記所定のタイムスロット番号と、該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の時間間隔は、前記所定の時間間隔であり、
前記第１の装置および前記第２の装置の少なくとも一方は、前記第１の情報と前記第２の情報とに基づいて、前記タイムスロット番号Ｎ＋２で、前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器のいずれか一方が光子を検出したか否かを判断し、
前記第１の装置および前記第３の装置の少なくとも一方は、前記第１の情報と前記第３の情報とに基づいて、前記タイムスロット番号Ｎ＋２で、前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器のいずれか一方が光子を検出したか否かを判断すること特徴とする盗聴検知方法。
【請求項４】
互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムにおいて、盗聴を検知する盗聴検知方法であって、
前記第１の装置が、時間的な相関がある量子もつれ光子対であって、複数のタイムスロット番号を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生工程であって、該量子もつれ光子対は、所定のタイムスロット番号と該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生工程と、
前記第１の装置が、前記タイムスロット番号に関する第１の情報と、前記タイムスロット番号の各々における、変調の状態を示す第２の情報とを、前記タイムスロット番号の各々について記録する第１の記憶工程と、
前記第１の装置が、前記タイムスロット番号の各々について、前記第１の記憶手段に記録された第１の情報および第２の情報に基づいて、前記所定のタイムスロット番号と該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の相対位相差が０であるかπであるかを示す第３の情報を取得する取得工程と、
前記第１の装置が、前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離工程とを有し、
前記第２の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波し、前記第３の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する遅延合波工程と、
前記第２の装置が、前記遅延合波工程にて合波した光を、前記第２の装置が備える第１の光子検出器または第２の光子検出器にて検出し、前記第３の装置が、前記遅延合波工程にて合波した光を、前記第３の装置が備える第３の光子検出器または第４の光子検出器にて検出する検出工程と、
前記第２の装置が、前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第４の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第５の情報を記録し、前記第３の装置が、前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第６の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第７の情報を記録する第２の記憶工程とを有し、
前記所定のタイムスロット番号と、該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の時間間隔は、所定の時間間隔であり、
前記相対位相差に応じて、前記タイムスロット番号の各々における、前記第２および第３の装置の、光子を検出する光子検出器が決まり、
前記第２の装置の光子検出器と、前記第３の装置の光子検出器との間には、前記相対位相差が０の場合は第１の相関があり、かつ前記相対位相差がπの場合は第２の相関があり、
前記第１の装置、第２の装置および第３の装置の少なくとも１つが、
前記取得された第３の情報から、前記複数のタイムスロット番号の少なくとも１つのタイムスロット番号に対応する相対位相差を示す第８の情報と、前記第５の情報から前記少なくとも１つのタイムスロット番号に対応する、第１または第２のどちらの光子検出器で前記光子が検出されたかを示す第９の情報と、前記第７の情報から前記少なくとも１つのタイムスロット番号に対応する、第３または第４のどちらの光子検出器で前記光子が検出されたかを示す第１０の情報とを取得し、
前記第８、第９および第１０の情報に基づいて、前記少なくとも１つのタイムスロット番号において、前記相対位相差に対する、前記第２および第３の装置の光子検出器の相関が正しいか否かを判断することを特徴とする盗聴検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号鍵共有システムおよび盗聴検知方法に関し、より詳細には、一人の送信者が２人の受信者に対して信号を送信する際、データを暗号化，複合化するための信号鍵を２人の受信者に分配して供給する量子暗号鍵共有システムおよび盗聴検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、量子秘密鍵共有の提案は非特許文献１においてなされた。この方法は、装置Ａ，Ｂ，Ｃの３つに、３粒子の量子もつれ状態の１粒子ずつを分配する。以下では、３光子の偏波もつれ状態を例として非特許文献１に記載された量子秘密鍵共有の方法を説明する。装置Ａ，Ｂ，Ｃに分配する３光子偏波もつれ状態は例えば次のように記述できる。
【０００３】
【数１】
2007288610.tif 000003
【０００４】
ここで、Ｖ，Ｈはそれぞれ縦偏波、横偏波状態であり、｜Ｚ＞ｉは、ｉ（＝｛装置Ａ，Ｂ，Ｃ｝；単に、Ａ，Ｂ，Ｃとも書く）の光子の偏波状態がＺ（＝｛Ｖ，Ｈ｝）であることを表している。装置Ｂ，Ｃは、それぞれの持っている光子に対して斜め偏波Ｘまたは円偏波Ｙの測定系を選択して測定する。斜め偏波系の測定に対する固有状態は、｜Ｖ＞，｜Ｈ＞を用いて次のように表される。
【０００５】
【数２】
2007288610.tif 000004
【０００６】
【数３】
2007288610.tif 000005
【０００７】
一方円偏波測定系に対する固有状態は次のように表される。
【０００８】
【数４】
2007288610.tif 000006
【０００９】
【数５】
2007288610.tif 000007
【００１０】
例えば、装置Ｂ，Ｃが共にＸ基底で測定したとすると、３粒子系の状態は次のように表される。
【００１１】
【数６】
2007288610.tif 000008
【００１２】
すなわち、装置ＢとＣとが同じ測定結果を得たときは、装置Ａの状態は｜Ｘ＋＞Ａであり、異なる結果を得たときには｜Ｘ−＞Ａである。言い換えれば、装置ＡがＸ基底で測定したとすると、装置Ａは自分の測定結果より、装置Ｂと装置Ｃとが同じ測定結果を得ているか（正相関）、逆の測定結果を得ているか（負相関）を知ることが出来る。
【００１３】
同様に、装置Ｂと装置Ｃとが共にＹ基底で測定した場合には、装置ＡはＸ基底で測定すれば、装置Ｂと装置Ｃとの測定結果の相関の正負を知ることが出来る。また、装置Ｂと装置Ｃとが互いに異なる基底で測定した場合は、装置ＡはＹ基底で測定すれば、装置Ｂと装置Ｃとの測定結果の相関の正負を知ることが出来る。
【００１４】
上記の３光子偏波もつれ状態の性質を生かして、次の手順で秘密鍵共有を行うことが出来る。  
ステップ１：複数組の３光子偏波もつれ状態を、各組について１粒子ずつが装置Ａ，Ｂ，Ｃの各々に配置されるように、あらかじめ分配しておく。  
ステップ２：装置Ａ，Ｂ，Ｃは一定の時間ごとに、互いに偏波もつれ状態にある光子をとりだし、ＸまたはＹの測定系をランダムかつ各々独立に選択して測定する。測定時刻、測定系、測定結果を各々記録しておく。  
ステップ３：装置Ａ，Ｂ，Ｃは各時刻において自分たちの測定に用いた測定系を公開する（測定結果は伝えない）。
【００１５】
ステップ４：装置Ａ，Ｂ，Ｃは、装置Ａの測定基底が装置Ｂ，Ｃの測定基底に対して正しく設定されている場合（すなわち、装置Ａが装置Ｂ，Ｃの相関の方向を知ることの出来る場合）の測定結果のみを残し、他を捨てる。  
ステップ５：装置Ｃは、自分の受信した測定結果を基に、例えば、Ｘ＋，Ｙ＋をビット０，Ｘ−，Ｙ−をビット１として鍵を作成し、それを用いて装置Ａ，Ｂに対し暗号化した通信を行う。  
ステップ６：装置Ａは装置Ｂ，Ｃの相関の正負はわかっているが、測定結果はわからない。一方、装置Ｂは自分の測定結果が装置Ｃの測定結果と正又は負の相関があることはわかっているが、相関の正負はわからない。よって、装置Ａと装置Ｂとの情報を総合した場合のみ、鍵に対する全ての情報を得ることが出来る。
【００１６】
【非特許文献１】Mark Hilery et al. “Quantum secret sharing” PHYSICAL REVIEW A Vol 59, NUMBER 3, MARCH 1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、３粒子の量子もつれ状態を生成、検出することは現状の技術では大変難しい。よって、非特許文献１の方式により秘密鍵共有システムを実際に構築することは極めて困難である。
【００１８】
また、量子暗号鍵を共有するシステムにおいては、より安全で秘匿性に優れた情報システムを実現することが望まれており、特に、盗聴などの不正行為に対する対策が望まれている。
【００１９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、盗聴の有無を判定可能であり、量子暗号生成に関する情報を受信する装置において不正行為があった場合（内部不正者が存在する場合）であっても、量子暗号鍵（秘密鍵）の秘匿性を確保可能な量子暗号鍵共有システムおよび盗聴検知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】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムであって、前記第１の装置は、Ｎを自然数として、一連の１からＮのタイムスロット番号の前後のタイムスロット番号をタイムスロット番号０、タイムスロット番号Ｎ＋１とすると、前記タイムスロット番号０からＮ＋１の計Ｎ＋２個のタイムスロット番号を有し、前記タイムスロット番号０および前記タイムスロット番号Ｎ＋１において光子が存在する確率がゼロであり、タイムスロット番号１からタイムスロット番号ＮまでのＮ個のタイムスロット番号を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を、Ｎをランダムに変化させて連続して発生する量子もつれ光子発生手段であって、前記量子もつれ光子対は、所定のタイムスロット番号と該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生手段と、前記タイムスロット番号Ｎ＋２に関する第１の情報を取得する第１の取得手段と、前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離手段とを備え、前記所定のタイムスロット番号と、該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の時間間隔は、所定の時間間隔であり、前記第２の装置は、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第１の遅延手段と、前記第１の遅延手段に接続された第１の光子検出器と、前記第１の遅延手段に接続された第２の光子検出器と、前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第２の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第３の情報を記録する第２の記憶手段と、前記第１の情報を入力する第１の入力手段と、前記入力された第１の情報に基づいて前記第２の記憶手段に記録された前記第２の情報を参照して、前記タイムスロット番号Ｎ＋２に関する前記第３の情報を取得する第２の取得手段とを備え、前記第３の装置は、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第２の遅延手段と、前記第２の遅延手段に接続された第３の光子検出器と、前記第２の遅延手段に接続された第４の光子検出器と、前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第４の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第５の情報を記録する第３の記憶手段と、前記第１の情報を入力する第２の入力手段と、前記入力された第１の情報に基づいて前記第３の記憶手段に記録された前記第４の情報を参照して、前記タイムスロット番号Ｎ＋２に関する前記第５の情報を取得する第３の取得手段とを備え、前記第１の装置および前記第２の装置の少なくとも一方は、前記第１の情報と前記第２の情報とに基づいて、前���タイムスロット番号Ｎ＋２で、前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器のいずれか一方が光子を検出したか否かを判断する第１の判断手段と、前記第１の装置および前記第３の装置の少なくとも一方は、前記第１の情報と前記第３の情報とに基づいて、前記タイムスロット番号Ｎ＋２で、前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器のいずれか一方が光子を検出したか否かを判断する第２の判断手段とを備えることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項２記載の発明は、互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムであって、前記第１の装置は、時間的な相関がある量子もつれ光子対であって、複数のタイムスロット番号を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生手段であって、該量子もつれ光子対は、所定のタイムスロット番号と該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生手段と、前記タイムスロット番号に関する第１の情報と、前記タイムスロット番号の各々における、変調の状態を示す第２の情報とを、前記タイムスロット番号の各々について記録する第１の記憶手段と、前記タイムスロット番号の各々について、前記第１の記憶手段に記録された第１の情報および第２の情報に基づいて、前記所定のタイムスロット番号と該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の相対位相差が０であるかπであるかを示す第３の情報を取得する第１の取得手段と、前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離手段とを備え、前記所定のタイムスロット番号と、該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の時間間隔は、所定の時間間隔であり、前記第２の装置は、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第１の遅延手段と、前記第１の遅延手段に接続された第１の光子検出器と、前記第１の遅延手段に接続された第２の光子検出器と、前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第４の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第５の情報を記録する第２の記憶手段とを備え、前記第３の装置は、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する第２の遅延手段と、前記第２の遅延手段に接続された第３の光子検出器と、前記第２の遅延手段に接続された第４の光子検出器と、前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第６の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第７の情報を記録する第３の記憶手段とを備え、前記相対位相差に応じて、前記タイムスロット番号の各々における、前記第２および第３の装置の、光子を検出する光子検出器が決まり、前記第２の装置の光子検出器と、前記第３の装置の光子検出器との間には、前記相対位相差が０の場合は第１の相関があり、かつ前記相対位相差がπの場合は第２の相関があり、前記第１の装置、第２の装置および第３の装置の少なくとも１つは、前記取得された第３の情報から、前記複数のタイムスロット番号の少なくとも１つのタイムスロット番号に対応する相対位相差を示す第８の情報と、前記第５の情報から前記少なくとも１つのタイムスロット番号に対応する、第１または第２のどちらの光子検出器で前記光子が検出されたかを示す第９の情報と、前記第７の情報から前記少なくとも１つのタイムスロット番号に対応する、第３または第４のどちらの光子検出器で前記光子が検出されたかを示す第１０の情報とを取得する第２の取得手段と、前記第８、第９および第１０の情報に基づいて、前記少なくとも１つのタイムスロット番号において、前記相対位相差に対する、前記第２および第３の装置の光子検出器の相関が正しいか否かを判断する判断手段とを備えることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項３記載の発明は、互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムにおいて、盗聴を検知する盗聴検知方法であって、前記第１の装置が、Ｎを自然数として、一連の１からＮのタイムスロット番号の前後の時間位置をタイムスロット番号０、タイムスロット番号Ｎ＋１とすると、前記タイムスロット番号０からＮ＋１の計Ｎ＋２個のタイムスロット番号を有し、前記タイムスロット番号０および前記タイムスロット番号Ｎ＋１において光子が存在する確率がゼロであり、タイムスロット番号１からタイムスロット番号ＮまでのＮ個のタイムスロット番号を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を、Ｎをランダムに変化させて連続して発生する量子もつれ光子発生工程であって、前記量子もつれ光子対は、所定のタイムスロット番号と該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生工程と、前記第１の装置が、前記タイムスロット番号Ｎ＋２に関する第１の情報を取得する第１の取得工程と、前記第１の装置が、前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離工程と、前記第２の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波し、前記第３の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する遅延合波工程と、前記第２の装置が、前記遅延合波工程にて合波した光を、前記第２の装置が備える第１の光子検出器または第２の光子検出器にて検出し、前記第３の装置が、前記遅延合波工程にて合波した光を、前記第３の装置が備える第３の光子検出器または第４の光子検出器にて検出する検出工程と、前記第２の装置が、前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第２の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第３の情報を記録し、前記第３の装置が、前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第４の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第５の情報を記録する第２の記憶工程と、前記第１の情報を前記第２の装置および前記第３の装置に入力する入力工程と、前記第２の装置が、前記入力された第１の情報に基づいて前記第２の情報を参照して、前記時タイムスロット番号Ｎ＋２に関する前記第３の情報を取得し、前記第３の装置が、前記入力された第１の情報に基づいて前記第４の情報を参照して、前記タイムスロット番号Ｎ＋２に関する前記第５の情報を取得する第２の取得工程とを有し、前記所定のタイムスロット番号と、該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の時間間隔は、前記所定の時間間隔であり、前記第１の装置および前記第２の装置の少なくとも一方は、前記第１の情報と前記第２の情報���に基づいて、前記タイムスロット番号Ｎ＋２で、前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器のいずれか一方が光子を検出したか否かを判断し、前記第１の装置および前記第３の装置の少なくとも一方は、前記第１の情報と前記第３の情報とに基づいて、前記タイムスロット番号Ｎ＋２で、前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器のいずれか一方が光子を検出したか否かを判断すること特徴とする。
【００２３】
また、請求項４記載の発明は、互いに所在の離れた、第１の装置、第２の装置および第３の装置が、通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を共有する量子暗号鍵共有システムにおいて、盗聴を検知する盗聴検知方法であって、前記第１の装置が、時間的な相関がある量子もつれ光子対であって、複数のタイムスロット番号を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生工程であって、該量子もつれ光子対は、所定のタイムスロット番号と該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の相対位相差が０またはπである量子もつれ光子対発生工程と、前記第１の装置が、前記タイムスロット番号に関する第１の情報と、前記タイムスロット番号の各々における、変調の状態を示す第２の情報とを、前記タイムスロット番号の各々について記録する第１の記憶工程と、前記第１の装置が、前記タイムスロット番号の各々について、前記第１の記憶手段に記録された第１の情報および第２の情報に基づいて、前記所定のタイムスロット番号と該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の相対位相差が０であるかπであるかを示す第３の情報を取得する取得工程と、前記第１の装置が、前記量子もつれ光子対を、信号光子とアイドラ光子とに分離して、一方の光子を第２の装置へと出力し、他方の光子を第３の装置へと出力する分離工程とを有し、前記第２の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波し、前記第３の装置が、前記第１の装置から入力された光を２経路に分岐し、該分岐された２経路の光を、一方の経路の光が他方の経路の光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で合波する遅延合波工程と、前記第２の装置が、前記遅延合波工程にて合波した光を、前記第２の装置が備える第１の光子検出器または第２の光子検出器にて検出し、前記第３の装置が、前記遅延合波工程にて合波した光を、前記第３の装置が備える第３の光子検出器または第４の光子検出器にて検出する検出工程と、前記第２の装置が、前記第１及び第２の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第４の情報、ならびに第１または第２のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第５の情報を記録し、前記第３の装置が、前記第３及び第４の光子検出器により光子が検出された時刻に関する第６の情報、ならびに第３または第４のどちらの検出器で前記光子が検出されたかを示す第７の情報を記録する第２の記憶工程とを有し、前記所定のタイムスロット番号と、該所定のタイムスロット番号と隣接するタイムスロット番号との間の時間間隔は、所定の時間間隔であり、前記相対位相差に応じて、前記タイムスロット番号の各々における、前記第２および第３の装置の、光子を検出する光子検出器が決まり、前記第２の装置の光子検出器と、前記第３の装置の光子検出器との間には、前記相対位相差が０の場合は第１の相関があり、かつ前記相対位相差がπの場合は第２の相関があり、前記第１の装置、第２の装置および第３の装置の少なくとも１つが、前記取得された第３の情報から、前記複数のタイムスロット番号の少なくとも１つのタイムスロット番号に対応する相対位相差を示す第８の情報と、前記第５の情報から前記少なくとも１つのタイムスロット番号に対応する、第１または第２のどちらの光子検出器で前記光子が検出されたかを示す第９の情報と、前記第７の情報から前記少なくとも１つのタイムスロット番号に対応する、第３または第４のどちらの光子検出器で前記光子が検出されたかを示す第１０の情報とを取得し、前記第８、第９および第１０の情報に基づいて、前記少なくとも１つのタイムスロット番号において、前記相対位相差に対する、前記第２および第３の装置の光子検出器の相関が正しいか否かを判断することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、簡易な構成で安全性がより増強された量子暗号鍵共有システムおよび盗聴検知方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。  
本発明の一実施形態では、光送信機が、複数のタイムスロット番号（時間位置）を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対に対して、上記タイムスロット番号に同期して１タイムスロット番号毎に、隣接するタイムスロット番号における相対位相差が０またはπになるように位相変調を施し、該位相変調された量子もつれ光子対の一方を第1の光受信機に、他方を第2の光受信機に送信し、上記位相変調に用いた位相変調データと、各光受信機にて光を受信した時刻およびディテクタに関する情報とに基づいて量子暗号鍵を生成する、量子暗号鍵共有システムにおける不正行為（盗聴や盗聴の隠蔽行為）を検出している。
【００２６】
本発明の一実施形態では、上記不正行為を検出するために、光送信機、第１の光受信機および第２の光受信機のうちの不正行為を検出する装置に、不正行為を検出するための所定の情報を集約する。上記不正行為を検出する装置は、集約された所定の情報に基づいて、不正行為があったか否かを検出する。上記不正行為を検出するための所定の情報は、第１の実施形態では、所定のタイムスロット番号における、ディテクタ情報（後述）および相対位相差データ（後述）を含んでおり、第２の実施形態では、Ｎ＋２番目タイムスロット番号情報（後述）およびＮ＋２番目タイムスロット番号情報に対応するディテクタ情報を含んでいる。
【００２７】
（第１の実施形態）  
本実施形態に係る量子暗号鍵共有システムの構成を図１に示す。  
図１において、光送信機１は、時間的な相関があり、多数（複数）の時間位置を基底とする重ね合わせ状態となっている量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生源２と、量子もつれ光子対発生源２から出力された光子対に対して、１タイムスロット毎に（所定の時間間隔で）所定の位相変調を施す位相変調手段３と、位相変調手段３から出力された光子対について、２つの光子（信号光子とアイドラ光子）に分離して出力する分離手段４とを備えている。なお、位相変調手段３は、隣接するタイムスロットにおける相対位相差が０またはπとなるような変調を行う。よって、上記相対位相差が０またはπであれば、各時刻における変調の値はいずれであっても良い。また、光送信機１は、誤り率測定手段２４を備えている。
【００２８】
さらに、光送信機１は、光送信機１全体を制御する第１の制御部（不図示）を備えている。この第１の制御部は、制御を実行するＣＰＵと、このＣＰＵの制御プログラムを格納したＲＯＭおよびＣＰＵの作業領域を提供するＲＡＭを有する第１の記憶手段とを備え、光送信機１の各構成もこの制御部によって統合して制御される。また、光送信機１は、タイマシステム（不図示）を備えており、このタイマシステムは第１の制御部に接続されている。このタイマシステムにより、光送信機１は、光受信機５、１１とクロックを共有できる。なお、光送信機１は、第１の制御部に接続された、所定の指令あるいはデータなどを入力するキーボードあるいは各種スイッチなどを含む入力操作部（不図示）、光送信機の入力・設定状態などをはじめとする種々の表示を行う表示部（不図示）などを備えても良い。
【００２９】
このような構成において、光送信機１は、後述する、量子暗号鍵を共有させたい装置である光受信機５、１１に対して、量子もつれ光子対を構成するそれぞれの光子を１個ずつ送信する機能を有する。さらに、光送信機１は、暗号化された情報などの各種情報を、インターネット等の情報伝送路１７、１８を介して光受信機５、１１と通信する機能を有する。すなわち、光送信機１は、秘密鍵作成に関わる光については送信機として働き、情報については送受信機として働く。
【００３０】
一方、図１において、光受信機５は、入力された光子を２つの出力ポートから出力する光分岐器６と、光分岐器６の一方の出力ポートに接続された、入力された光子に対して１タイムスロット分の時間遅延を与える遅延器７と、２つの入力ポートと２つの出力ポートａ、ｂを有する光カプラであって、一方の入力ポートには遅延器７が接続され、他方の入力ポートには光分岐器６の他方の出力ポートが接続された光カプラ８とを有する、遅延干渉計２２を備えている。また、光受信機５は、光カプラ８の出力ポートａに接続されたディテクタａ９と、光カプラ８の出力ポートｂに接続されたディテクタｂ１０とを備えている。
【００３１】
さらに、光受信機５は、光受信機５全体を制御する第２の制御部（不図示）を備えている。この第２の制御部は、制御を実行するＣＰＵと、このＣＰＵの制御プログラムを格納したＲＯＭおよびＣＰＵの作業領域を提供するＲＡＭを有する第２の記憶手段とを備え、光受信機５の各構成もこの制御部によって統合して制御される。また、光受信機５は、タイマシステム（不図示）を備えており、このタイマシステムは第２の制御部に接続されている。このタイマシステムにより、光受信機５は、光送信機１、光受信機１１とクロックを共有できる。すなわち、光送信機１がある時刻に送信した光子対を、光受信機５および光受信機１１において、特定することができる。なお、光受信機５は、第２の制御部に接続された、所定の指令あるいはデータなどを入力するキーボードあるいは各種スイッチなどを含む入力操作部（不図示）、光受信機の入力・設定状態などをはじめとする種々の表示を行う表示部（不図示）などを備えても良い。
【００３２】
また、図１において、光受信機１１は、入力された光子を２つの出力ポートから出力する光分岐器１２と、光分岐器１２の一方の出力ポートに接続された、入力された光子に対して１タイムスロット分の時間遅延を与える遅延器１３と、２つの入力ポートと２つの出力ポートａ、ｂを有する光カプラであって、一方の入力ポートには遅延器１３が接続され、他方の入力ポートには光分岐器１２の他方の出力ポートが接続された光カプラ１４とを有する、遅延干渉計２３を備えている。また、光受信機１１は、光カプラ１４の出力ポートａに接続されたディテクタａ１５と、光カプラ１４の出力ポートｂに接続されたディテクタｂ１６とを備えている。
【００３３】
さらに、光受信機１１は、光受信機１１全体を制御する第３の制御部（不図示）を備えている。この第３の制御部は、制御を実行するＣＰＵと、このＣＰＵの制御プログラムを格納したＲＯＭおよびＣＰＵの作業領域を提供するＲＡＭを有する第３の記憶手段とを備え、光受信機１１の各構成もこの制御部によって統合して制御される。また、光受信機１１は、タイマシステム（不図示）を備えており、このタイマシステムは第３の制御部に接続されている。このタイマシステムにより、光受信機１１は、光送信機１、光受信機５とクロックを共有できる。なお、光受信機１１は、第３の制御部に接続された、所定の指令あるいはデータなどを入力するキーボードあるいは各種スイッチなどを含む入力操作部（不図示）、光受信機の入力・設定状態などをはじめとする種々の表示を行う表示部（不図示）などを備えても良い。
【００３４】
また、図１において、光送信機１と光受信機５とは、光ファイバ等の光伝送路２０を介して接続され、光送信機１と光受信機１１とは、光ファイバ等の光伝送路２１を介して接続されている。
【００３５】
このような構成において、光受信機５、１１は、光送信機１から出力された、量子もつれ光子対を構成するそれぞれの光子を１個ずつ受信する機能を有する。さらに、光受信機５、１１は、暗号化された情報などの各種情報を、インターネット等の情報伝送路１７、１８を介して光送信機１と通信し、また光受信機同士では、情報伝送路１９を介して上記各種情報を通信する機能を有する。すなわち、光受信機５、１１は、秘密鍵作成に関する光については受信機として働き、情報については送受信機として働く。
【００３６】
以下の表現においては、｜ｋ＞ｘはタイムスロットｋにおいてモードｘ（ｓ：シグナル、ｉ：アイドラ）に１個の光子がある状態を指す。光送信機１は、量子もつれ光子対発生源２より、次式に示す量子相関光子対の、Ｎ個の時間位置を基底とする重ね合わせ状態を出力する。
【００３７】
【数７】
2007288610.tif 000009
【００３８】
式（１）では、任意のタイムスロットｋにおける量子相関状態｜ｋ＞ｓ｜ｋ＞ｉと隣接するタイムスロット（ｋ＋１）における量子相関状態｜ｋ＋１＞ｓ｜ｋ＋１＞ｉとの相対位相差が０である場合を示している。光送信機１は、式（１）で表される量子もつれ光子対に対し、その隣接するタイムスロットにおける相対位相差が０またはπになるように、位相変調手段３を用いて位相変調を印加する。その結果、次の状態を得る。
【００３９】
【数８】
2007288610.tif 000010
【００４０】
ここで、φｋ＝｛０，π｝である。すなわち、φｋは、タイムスロットｋにおける、位相変調の状態を示す。
【００４１】
式（２）のように、位相変調手段３にて相対位相差に変調を施された量子もつれ光子対は、分離手段４を用いてシグナル光子（信号光子）とアイドラ光子とに分離され、一方の光子は光受信機５へと光伝送路２０を介して出力され、他方の光子は光受信機１１へと光伝送路２１を介して出力される。光受信機５、１１はそれぞれ、入力された光子を各々の持つ遅延干渉計に入力する。入力された光子の量子状態｜ｋ＞ｘは遅延干渉計２２、２３において次のように変換される。
【００４２】
【数９】
2007288610.tif 000011
【００４３】
表記｜ｋ，ｙ＞ｘにおいて、ｋはタイムスロット、ｘ＝Ａ，Ｂは、光受信機（Ａ；光受信機５、Ｂ；光受信機１１）、ｙ＝ａ，ｂは、各遅延干渉計の出力ポートａまたはｂを表す。
【００４４】
上記の変換を式（２）で表される量子もつれ光子対に適用すると次のようになる。
【００４５】
【数１０】
2007288610.tif 000012
【００４６】
上式においては、光受信機５，光受信機１１の同時計数に寄与する項のみ表示し、寄与しない項は省略した。隣り合うタイムスロットにおける相対位相差をΔφkとすると、式（４）は、Δφk＝φk−φk‐1＝０であればｋ番目のタイムスロットにおける光受信機５と光受信機１１との同時計数結果には正相関が観測され、Δφk＝πであれば負相関が観測されることを示している。すなわち、光送信機１における相対位相に対する変調の値により、光受信機５と光受信機１１との同時計数結果の相関の正負を制御することが出来る。
【００４７】
なお、本発明の一実施形態において、光受信機間の「正相関、相関が正」とは、ある時刻において各光受信機における光子を検知したディテクタが、光受信機５のディテクタａ９と光受信機１１のディテクタａ１５とである場合、または、光受信機５のディテクタｂ１０と光受信機１１のディテクタｂ１６とである場合を指す。すなわち、ある時刻において光子を検知したディテクタが、各光受信機において共にディテクタａまたはディテクタｂである場合を指す。
【００４８】
一方、本発明の一実施形態において、光受信機間の「負相関、相関が負」とは、ある時刻において各光受信機における光子を検知したディテクタが、光受信機５のディテクタａ９と光受信機１１のディテクタｂ１６とである場合、または、光受信機５のディテクタｂ１０と光受信機１１のディテクタａ１５とである場合を指す。すなわち、ある時刻において光子を検知したディテクタが、各光受信機の相互間において、異なるディテクタの種類である場合を指す。本発明の一実施形態では、ディテクタの種類は、ディテクタａとディテクタｂとに分類されていることは言うまでも無い。
【００４９】
さて、本実施形態では、光カプラ８（１４）において、前後のパルス、すなわち、光分岐器６から直接入力されるタイムスロット（ｋ＋１）の第１の光子と、遅延器７（１３）を介して入力されるタイムスロットｋの第２の光子とが合波されるが、光カプラ８（１４）に入力される２つの光子の位相差によって、出力ポートが決まる。すなわち、第１の光子と第２の光子との位相差が０の場合は、合波されたパルスが出力ポートａから出力され、第１の光子と第２の光子との位相差がπの場合は、合波されたパルスが出力ポートｂから出力される。よって、本明細書において、「ディテクタａ」とは、各光受信機の光カプラの出力ポートａに接続されているディテクタを指す。また、本明細書において、「ディテクタｂ」とは、各光受信機の光カプラの出力ポートｂに接続されているディテクタを指す。
【００５０】
上記の性質を利用して、以下の手順を用いて、光送信機１、光受信機５、１１間で秘密鍵共有を行うことが出来る。
【００５１】
手順：光送信機１が秘密鍵（暗号鍵）の生成元である場合  
本手順では、互いに所在の離れた、光送信機１、光受信機５および光受信機１１のうちの、光送信機１が通信信号を暗号化、復号化するための暗号鍵を光受信機５および光受信機１１に分配して供給する。本手順では、光送信機１が暗号鍵により情報を暗号化して、暗号鍵を共有したい装置である光受信機５および光受信機１１に対して、上記暗号化した情報を送信し、光受信機５および光受信機１１が暗号鍵により上記暗号化した情報を復号する。
【００５２】
工程１  
光送信機１は、Δφｋを｛０，π｝の２値でランダムに変調した、式（２）にて示される量子もつれ状態を発生し、光子を１個ずつ光受信機５と光受信機１１とに送る。ここで、１タイムスロットあたりの平均光子対数は１より小さく設定する。
【００５３】
具体的には、量子もつれ光子対発生源２から次々と発生した量子もつれ光子対に対して、位相変調手段３にて所定の時間毎に０またはπの位相変調を行って、ある時刻（タイムスロットｋ）とその次の時刻（タイムスロット（ｋ＋１））との間の相対位相差を０またはπとする。このとき、位相変調手段３にて位相変調を行った時刻と、該時刻における変調データ（変調の状態を示す情報）とを、各時刻について、第１の記憶手段に記録する。
上記位相変調手段によって位相変調された量子もつれ光子対は、分離手段４にて分離され、一方の光子は光受信機５へ、また他方の光子は光受信機１１へと送られる。
【００５４】
工程２  
光受信機５と光受信機１１の各々は、それぞれの遅延干渉計に光子をいれ、出力ポートａとｂとに各々接続されたディテクタａ，ｂで、上記光子を受信する。このとき、光受信機５は、光子を受信した時刻に関する時刻情報とその時刻において光子を受信したディテクタを示すディテクタ情報を第２の記憶手段に記録する。同様に、光受信機１１は、光子を受信した時刻に関する時刻情報とその時刻において光子を受信したディテクタを示すディテクタ情報を第３の記憶手段に記録する。
【００５５】
工程３  
光受信機５は、光受信機５の第２の記憶手段に記録された時刻情報を、情報伝送路１７を介して光送信機１に送り、光送信機１の第１の記録手段に記録される、というプログラムに従って、時刻情報を光受信機５から光送信機１へと自動的に送り、第１の記憶手段に記録する。これと同様の動作を光受信機１１についても行う。その結果、第１の記憶手段には、光受信機５および光受信機１１の時刻情報が記録されることになる。なお、このとき、光受信機５および光受信機１１のディテクタ情報は、光送信機１へと送らない。
【００５６】
本実施形態では、光受信機５および光受信機１１から光送信機１へと上記プログラムに従って自動的に時刻情報を送るようにしているが、これに限定されない。例えば、光送信機１が上記時刻情報を、古典通信によって共有するようにしても良い。この場合は、光受信機５を使用する使用者αは、電話、ＦＡＸ、手紙、電子メール等の古典通信を用いて、光送信機１を使用する使用者γに光子を受信した時刻を伝える（受信したディテクタは秘密にしておく）。同様に、光受信機１１を使用する使用者βは、上記古典通信を用いて、使用者γに光子を受信した時刻を伝える（受信したディテクタは秘密にしておく）。使用者γは、入力操作部により光送信機１に上記時刻を入力し、第１の制御部は、上記入力に従って上記時刻情報を第１の記憶手段に記録する。
【００５７】
また、本実施形態では、上記時刻情報を、使用者α、βが、使用者γに直接会って口頭で伝えても良い。また、取り外し可能な記憶手段によって、光受信機から光送信機へと時刻情報を移動させても良い。
【００５８】
光送信機１は、第１の記憶手段に記録された位相変調を行った各時刻と各時刻に対応した変調データとに基づいて、ある時刻（タイムスロットｋ）とその次の時刻（タイムスロット（ｋ＋１））との相対位相差が０であるかπであるかに関する相対位相差データを、各時刻について求める。この、各時刻における相対位相差データを求める作業は、後述する工程４の前までに行っていれば、いつ行っても良い。すなわち、位相変調を行いならが行っても良いし、位相変調が終了してから行っても良い。
【００５９】
なお、本実施形態では、相対位相差データを、ある時刻（タイムスロットｋ）とその次の時刻（タイムスロット（ｋ＋１））との相対位相差を示すように生成しているが、ある時刻（タイムスロットｋ）とその前の時刻（タイムスロット（ｋ−１））との相対位相差を示すように生成しても良い。
【００６０】
工程４  
光送信機１は、第１の記憶手段に記憶された時刻情報から、光受信機５と光受信機１１とが同時に光子を受信した時刻を調べて上記同時に光子を受信した時刻に関する情報を取得し、該情報から上記同時に光子を受信した時刻の各々について、相対位相差データが０であった場合（正相関の場合）は、鍵を構成するビット列中の対応するビットの値を０とし（０ビットを割り当て）、πであった場合（負相関の場合）には対応するビットの値を１とし（１ビットを割り当て）、鍵を生成する。
【００６１】
工程５  
光送信機１は、工程４にて得られたビット列を鍵として情報を暗号化し、該暗号化された情報を光受信機５と光受信機１１とに通信をする。
【００６２】
工程６  
光受信機５と光受信機１１とは、光送信機１から送信された暗号化された情報を、それぞれの記憶手段に記録する。光受信機５と光受信機１１とは、光子を同時に受信した時刻において、相関の正負を調べることにより、鍵を知ることが出来る。すなわち、光受信機５が有する時刻情報およびそれに対応するディテクタ情報と、光受信機１１が有する時刻情報およびそれに対応するディテクタ情報とに基づいて、上記光子を同時に受信した各時刻について、各光受信機の受信したディテクタの種類が同じであれば正相関であるので、０ビットを割り当て、各光受信機の受信したディテクタの種類が異なっていれば負相関であるので、１ビットを割り当て、鍵を生成する。その際、光受信機５および光受信機１１はそれぞれ、互いの時刻情報から、光子を同時に受信した時刻に関する情報を取得することは言うまでも無い。
【００６３】
本工程では、光受信機５および光受信機１１において、光送信機１にて生成した鍵を生成するわけだが、そのためには、光受信機５が有する時刻情報およびディテクタ情報と、光受信機１１が有する時刻情報とディテクタ情報とから相関の正負を判断する必要があり、上記必要な情報（時刻情報およびディテクタ情報）を１つにまとめる等して互いに参照できるようにする必要がある。そのために、本実施形態では、光受信機５（光受信機１１）から光受信機１１（光受信機５）へと情報伝送路１９を介して自動的に必要な情報を送り、第３の記憶手段（第２の記憶手段）に記録する、というプログラムに従って、上記必要な情報を光受信機５（光受信機１１）から光受信機１１（光受信機５）へと自動的に送信する。
【００６４】
この、光受信機５（光受信機１１）から光受信機１１（光受信機５）へと自動的に必要な情報が情報伝送路１９を介して送信される場合は、光受信機１１の第３の制御部（光受信機５の第２の制御部）は、光受信機５（光受信機１１）から受信した光受信機５（光受信機１１）に関する時刻情報およびディテクタ情報と、第３の記憶手段（第２の記憶手段）に記録された光受信機１１（光受信機５）に関する時刻情報およびディテクタ情報とにより、光子を同時に受信した時刻において、相関の正負を判断して、鍵を生成する。
【００６５】
また手順では、上記必要な情報を古典通信や、取り外し可能な記憶手段を用いて共有するか、または互いに上記必要な情報を持ち寄るようにしても良い。
【００６６】
例えば、古典通信を用いて共有したり、直接会う等して互いの情報を持ち寄る等して互いの情報を得る場合は、使用者α（使用者β）は、使用者β（使用者α）から送られた上記必要な情報を、入力操作部により光受信機５（光受信機１１）に入力する。次いで、第２の制御部（第３の制御部）は、第２の記憶手段（第３の記憶手段）に記録された光受信機５（光受信機１１）に関する時刻情報およびディテクタ情報と、入力された光受信機１１（光受信機５）に関する時刻情報およびディテクタ情報とにより、光子を同時に受信した時刻において、相関の正負を判断して、鍵を生成する。
【００６７】
さて、光送信機１が出力した量子もつれ光子対の、１タイムスロットあたりの平均光子対数をμとすると、１タイムスロットあたりに光受信機５、光受信機１１が同時計数を得る確率は、
【００６８】
【数１１】
2007288610.tif 000013
【００６９】
となる。ここで、αA，αBはそれぞれ光受信機５，光受信機１１側の透過率（検出器の量子効率を含む）である。すなわち、αAは、量子もつれ光子発生源２と光受信機５との間の、光伝送路（光ファイバ）の透過率、ディテクタ９、１０の量子効率、および光受信機５の光学部品の透過率を全て含んだ透過率であって、これらのパラメータの積である。また、αBは、量子もつれ光子発生源２と光受信機１１との間の、光伝送路（光ファイバ）の透過率、ディテクタ１５、１６の量子効率、および光受信機１１の光学部品の透過率を全て含んだ透過率であって、これらのパラメータの積である。
【００７０】
このシステムに対し、外部の盗聴者が以下のような盗聴を試みた場合について考える。量子もつれ光子対である２光子が共に光送信機１から出力された直後に盗聴用装置にて捕獲し、上記盗聴用装置が備える、光受信機５、光受信機１１と同様の干渉計を用いて、それぞれの光子を計測する。このとき、盗聴用装置は、１タイムスロットあたりμ／２の確率で同時計数を得ることができ、盗聴者は得られた同時計数から、対応するタイムスロットにおける光送信機１にて用いられた変調データを知ることができる。ここで、μ＜１であるから、盗聴者は光送信機１にて用いられた変調データの一部分しか知ることができない。盗聴用装置が時刻ｋにおいて同時計数を観測し、該観測結果から、盗聴者が、そのタイムスロットにおける位相差がΔφk（盗聴用装置が位相差情報を取得する）であるとわかったとする。このとき、盗聴者は、光受信機５の使用者αおよび光受信機１１の使用者βが盗聴に気づかないために、代替の量子状態を盗聴用装置から光受信機５および光受信機１１へ送付する必要がある。代替の量子状態として、１）量子もつれ光子対を送付する方法と、２）古典的な相関を持つ２つの単一光子を送付する方法が考えられる。
【００７１】
１）量子もつれ光子対を利用して不正行為（盗聴およびその隠蔽行為）が行われた場合の不正行為検出原理 
まず盗聴者が代替の量子情報として量子もつれ光子対を使用する場合を考える。盗聴用装置は、得られた位相差情報を元に２つのタイムスロットで張られた次式のような光子対状態を生成し、一方を光受信機５の遅延干渉計２２へ、他方を光受信機１１の遅延干渉計２３へ直接入力する。
【００７２】
【数１２】
2007288610.tif 000014
【００７３】
式（６）で示される盗聴用装置にて生成された光子対が光受信機５の遅延干渉計２２、および光受信機１１の遅延干渉計２３を通過すると、式（３）より次のようになる。
【００７４】
【数１３】
2007288610.tif 000015
【００７５】
上式においては、光受信機５，光受信機１１の同時計数に寄与する項のみ表示し、寄与しない項は省略した。上式のように、光受信機５と光受信機１１とはｋ−１，ｋ，ｋ＋１の３タイムスロットで同時計数を観測する可能性がある。ｋ番目のタイムスロットで同時計数を観測した場合は、光受信機５、光受信機１１の観測結果の相関は、光送信機１の位相変調データを正しく反映しているため、盗聴は発覚しない。しかし、ｋ−１またはｋ＋１番目のタイムスロットで観測した場合、光受信機５と光受信機１１との観測結果には全く相関がないため、１／２の確率で誤りが発生する。式（７）の確率振幅から、光送信機１が一つの光子対を送付したとき、光受信機５、光受信機１１がｋ番目のタイムスロットで同時計数を観測する確率は１／４，ｋ−１またはｋ＋１番目のタイムスロットで同時計数を観測する確率もまた１／４であるから、全体として１／４の確率で誤りが発生する。よって、光送信機１は、誤り率測定手段により定期的に生成された鍵の誤りを測定することにより、外部からの盗聴者の存在を発見することができる。
【００７６】
２）古典的相関を有する２つの単一光子を利用して不正行為が行われた場合の不正行為検出原理 
次に、盗聴者が古典的相関を持つ２つの単一光子を送付する場合について考える。盗聴用装置は、次のような状態の２光子を生成する。
【００７７】
【数１４】
2007288610.tif 000016
【００７８】
盗聴用装置は、式（８）で示される光子の一方を光受信機５の遅延干渉計２２へ、他方を光受信機１１の遅延干渉計２３へ直接入力する。
【００７９】
【数１５】
2007288610.tif 000017
【００８０】
上式においては、光受信機５，光受信機１１の同時計数に寄与する項のみ表示し、寄与しない項は省略した。盗聴用装置は、正相関を観測した場合（Δφk＝０）はφAk＝φBkに、負相関を観測した場合（Δφk＝π）はφAk＝φBk＋πとすればよい。この条件の下で、盗聴用装置はφAk，φBkを｛０，π｝でランダムに変化させる。このとき、光受信機５、光受信機１１がｋ番目のタイムスロットで同時計数を観測すれば、両者は光送信機１の位相変調と相関のある結果を得るため、盗聴に気づかないが、ｋ−１又はｋ＋１番目のタイムスロットで同時計数を観測すれば、１／２の確率で誤りが発生する。式（９）の確率振幅から、光送信機１が一組の光子を送付したとき、光受信機５、光受信機１１がｋ番目のタイムスロットで同時計数を観測する確率は１／４，ｋ−１またはｋ＋１番目のタイムスロットで同時計数を観測する確率は１／８であるから、全体として１／６の確率で誤りが発生する。すなわち、誤り率は量子もつれ光子対を使用した場合より低くなる。
【００８１】
以上のことから、盗聴者としては、代替の量子状態として量子もつれ光子対を送付するよりも、古典相関のある２光子を送付する方が盗聴成功の確率が高い。いずれにせよ、光送信機１は、誤り率測定手段２４により定期的に生成された鍵の誤りを測定することにより、外部からの盗聴者の存在を発見することができる。
【００８２】
図５は、本実施形態に誤り率測定手段による、係る誤り率の測定手順を示す図である。なお、誤り率測定手段は、第１の制御部が備えるＣＰＵが第１の記憶手段に格納されている図５に示すプログラムに従って実行する機能である。  
工程１〜工程４までが行われ、鍵が生成されると、光受信機５、１１から光送信機１へと、同時計数を得た時刻のうちの少なくとも１つの時刻におけるディテクタ情報が送信される。例えば、光受信機１および光受信機１１にて、時刻（タイムスロット番号）ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５にて同時計数が得られた場合、光受信機５および光受信機１１は、例えば、時刻ｔ２、ｔ５におけるディテクタ情報を光送信機１に情報伝送路１７、１８や古典通信を介して送信する。第１の制御部は、送信された上記ディテクタ情報を第１の記憶手段に記録する（ステップ１）。
【００８３】
このとき、光受信機５および光受信機１１の間では、どのタイムスロット（同時計数を得た時刻）に関するディテクタ情報を光送信機１へと送信するかを共有しておき、また、光送信機１にも、光受信機５、１１からどのタイムスロットのディテクタ情報が送信されるかを設定しておく。すなわち、同時計数が得られた時刻（タイムスロット番号）のうち、誤り率測定のために、光受信機５、１１から、光送信機１へと送信されるディテクタ情報に関するタイムスロット（誤り率測定に関するタイムスロット）を、誤り率測定の前に、光送信機１、光受信機５および光受信機１１の間で共有していれば良い。
【００８４】
このように、第２の制御部および第３の制御部は、光子を受信した時刻情報とディテクタ情報とを取得すると、予め設定されたタイムスロットに関するディテクタ情報を光送信機１へと送信する。
【００８５】
なお、本実施形態のように、誤り率測定に関するタイムスロットを予め光送信機１、光受信機５および光受信機１１に設定する他に、光送信機１が、工程３にて光受信機５、１１の各々から時刻情報を受信し、該受信した時刻情報から、光受信機５および光受信機１１が同時に光子を受信した時刻を取得して同時計数が得られた時刻に関する同時計数時刻情報を取得し、該同時計数時刻情報から、誤り率測定毎にランダムに誤り率測定に関するタイムスロットを取得し、該取得された誤り率測定に関するタイムスロットを光受信機５、１１に送信して、上記誤り率測定に関するタイムスロットを光送信機１、光受信機５、１１間で共有するようにしても良い。
【００８６】
なお、本実施形態において同時計数とは、光受信機５、１１において同時に光子を検出した時刻を指す。
【００８７】
次いで、第１の制御部は、第１の記憶手段に記憶された相対位相差データと、ステップ１にて第１の記憶手段に記録された光受信機５、１１から送信された時刻ｔ２、ｔ５におけるディテクタ情報とを比較し、時刻ｔ２、ｔ５における相対位相差データと、光受信機５、１１の観測結果の相関の向き（相関の正負）が正しく関係しているか否かを調べる（ステップ２）。すなわち、第１の制御部は、光受信機５、１１から送信されるディテクタ情報に関するタイムスロット（時刻ｔ２、ｔ５）が予め設定されているので、光受信機５、１１からディテクタ情報を受信すると、第１の記憶手段に記録された相対位相差データから、上記時刻ｔ２、ｔ５における相対位相差データを取得し、時刻ｔ２、ｔ５における相対位相差データとディテクタ情報とを比較するのである。
【００８８】
ステップ２にて、相関の向きが正しく関係していると判断すると、第１の制御部は、盗聴が無いと判断する（ステップ３）。この場合は、工程５に進めば良い。ステップ２にて、相関の向きが正しく関係していないと判断すると、第１の制御部は、盗聴があったと判断する（ステップ４）。この場合は、工程５に進まず暗号通信を中止しても良いし、光送信機１の表示部に盗聴がある旨のメッセージを表示しても良い。
【００８９】
このように、本実施形態では、同時計数が得られた時刻における、光受信機５、１１のディテクタ情報と、該時刻における相対位相差データとに基づいて、誤りの発生を測定するものである。よって、誤り率測定手段は、光送信機１に限らず、光受信機５、１１の少なくとも一方に設けるようにしても良い。すなわち、暗号通信の前に、盗聴があったことが分かれば良いので、誤り率測定手段は、光送信機１、光受信機５、および光受信機１１の少なくとも１つに設けられていれば良いのである。
【００９０】
例えば、誤り率測定手段が光受信機５に設けられている場合は、光受信機５が、上記誤りを測定することになる。  
この場合は、光受信機１１からは、同時計数を得た時刻のうちの少なくとも１つの時刻ｔ（誤り率測定に関するタイムスロット）におけるディテクタ情報が、光送信機１からは、時刻ｔに関する相対位相差データが、光受信機５へと送信される。このとき、第２の制御部は、上記送信されたディテクタ情報と、相対位相差データとを第２の記憶手段に記録する。
【００９１】
次いで、第２の制御部は、第２の記憶手段に記録された、時刻ｔにおけるディテクタ情報と、光受信機１１から送信されたディテクタ情報と、相対位相差データとを比較し、時刻ｔにおける相対位相差データと、光受信機５、１１の観測結果の相関の向きが正しく関係しているか否かを調べる。
【００９２】
相関の向きが正しく関係していると判断すると、第２の制御部は、盗聴が無いと判断する。また、相関の向きが正しく関係していないと判断すると、第２の制御部は、盗聴があったと判断する。
【００９３】
なお、本実施形態では、図５に示した誤り率の測定を鍵生成（工程４）の後に行っているが、鍵生成の前に行っても良い。すなわち、暗号通信の前に行っていれば良いのである。
【００９４】
（第２の実施形態）  
第１の実施形態では、外部（光送信機１、光受信機５、１１以外の装置）から盗聴を試みると、光送信機１、光受信機５、１１間の誤り率が増大し、盗聴を検出できた。しかし、以下に示すように、光送信機１から送付される鍵の受信者（使用者α、β）のうちいずれか一方が、他方を出し抜いて全ての鍵を得ようとする攻撃を行う場合がある。以下では、光受信機１１の使用者βが不正を行おうとしている場合を想定して説明する。
【００９５】
図２に示すように、使用者βは、第１の実施形態にて説明した外部からの盗聴者の場合と同様、光受信機１１にて、２光子を光送信機１から出力された直後に捕獲する（符号２５）。光受信機１１は、上記捕獲した光子について、一組の光受信機５と同一の測定系（遅延干渉計と光子検出器（ディテクタ））を用いて同時計測を行う。光受信機１１は、最大で１タイムスロットあたりμ／２の確率で同時計数を得ることができ、対応するタイムスロットにおける光送信機１の変調データを知ることができる。
【００９６】
ここで、μ＜１であるから、光受信機１１は光送信機１の変調データの一部分しか知ることができない。盗聴者（使用者β）が光受信機１１により時刻ｋにおいて同時計数を観測し、そのタイムスロットにおける位相差がΔφkであるとわかったとする。このとき、光受信機１１は、得られた位相差情報を元に２つのタイムスロットで張られた光子状態を生成し、光受信機５の干渉計に直接入力する（符号２６）。生成する状態は次式で表される。
【００９７】
【数１６】
2007288610.tif 000018
【００９８】
ここで、φAk＝Δφk−φBkであり、φBkは光受信機１１が｛０，π｝からランダムに選択する。この状態が式（３）で示される光受信機５の遅延干渉計２２を通過すると、次のように変換される。
【００９９】
【数１７】
2007288610.tif 000019
【０１００】
このように、光受信機５側では３つのタイムスロットにおいて光子が検出される可能性があり、光送信機１、光受信機１１と相関のある結果が得られるのはｋ番目のタイムスロットにおいてのみである。しかし、使用者βは検出時刻の公開の際に、ｋ番目のタイムスロットで光子を検出したと申告する（光受信機１１は、ｋ番目の時刻に関する時刻情報を光送信機１へと送信する）から、光受信機５がｋ±１番目のスロットで光子を受信した場合は、同時計数でないため鍵に含まれない。すなわち、光受信機１１による上記の不正は誤り率を増大させない。よって、光受信機１１はこのような不正により、光受信機５と情報を照合する前に全ての鍵を得ることができる。
【０１０１】
以上のことから、第１の実施形態において示された量子暗号鍵共有システムにおいては、下記の２条件のいずれかが満たされる場合にのみ、安全な鍵共有を行える。  
・鍵の受信者である使用者α、βが共に、不正を行わないと信頼できる  
・鍵の受信者である使用者α、βが共に、上述の不正を行うだけの技術を持っていないと確信できる。
【０１０２】
すなわち、第１の実施形態は、外部からの盗聴に威力を発揮するものであり、本実施形態は、外部からの盗聴に加え、内部からの盗聴にも威力を発揮するものである。
【０１０３】
すなわち、本実施形態は、第１の実施形態のように、誤り率の増大から盗聴を検出するのではなく、盗聴者が存在すると、光子が検出されるはずのないタイムスロットにおいて光子が検出されることを利用するものである。
【０１０４】
図３は、本実施形態に係る、量子暗号鍵共有システムの構成図である。  
図３において、光送信機１は、コヒーレントパルス列を出力するポンプ光源３１と、強度変調手段３２と、位相変調手段３と、非線形媒質３３と、分離手段４とを備えている。また、光送信機１は、Ｎ＋２番目タイムスロット公開手段３４を備えている。このＮ＋２番目タイムスロット公開手段３４は、後述のように、第１の制御部により、所定のタイミングで所定のセッションのＮ＋２番目のタイムスロット（エラースロット）の番号（時間位置）に関するＮ＋２番目タイムスロット番号情報を取得し、該情報を公開するように機能する。この公開は、上記Ｎ＋２番目タイムスロット番号情報を、情報伝送路１７を介して光受信機５、１１に送信することによって行うことができ、また、上述の古典通信によって、光送信機１から光受信機５、１１へと送信することによっても行うことができる。また、上記公開は、光送信機１が備える表示部に取得されたＮ＋２番目タイムスロット番号情報を表示することによっても行うことができる。
【０１０５】
なお、本実施形態では、ポンプ光源３１から出力されるパルスの幅は、遅延干渉計２２、２３にて定義されるタイムスロットと同一である。
【０１０６】
図３において、ポンプ光源３１から出力されるコヒーレントパルス列を、強度変調手段３によって光強度を変調することにより、所定時間のセッションにおける、一連の（パケット状の）最初のタイムスロット（０番目のタイムスロット）と最後のタイムスロット（Ｎ＋１番目のタイムスロット）とにおいてオフとなる全Ｎ＋２スロットのポンプ光パルス列を連続的に出力する。なお、上記セッション内には、計Ｎ＋２個のタイムスロットからなる一連のグループが少なくとも１つ以上存在している。このポンプ光パルス列の各パルスに対して位相変調手段３により位相変調を加えた後、非線形媒質３３に入力する。非線形媒質３３としては、２次の非線形光学効果を有するもの、ないしは３次の非線形光学効果を有するものが使用できる。２次の非線形光学効果を有する媒質を用いた場合、位相変調手段３では、変調するｋ番目のポンプパルスの位相を０またはπで位相変調する。一方、３次の非線形光学効果を有する媒質の場合は、位相変調手段３では、変調するｋ番目のポンプパルスの位相を０またはπ／２で位相変調する。その結果、式（１２）で表される量子相関光子対が発生する。
【０１０７】
【数１８】
2007288610.tif 000020
【０１０８】
なお、強度変調手段３２では、各セッションに対して、Ｎ（Ｎ；自然数）をランダムに変化させることができる。そして、強度変調手段３２では、各セッションにおける、一連のタイムスロットグループ（パケット状のタイムスロット）の０番目のタイムスロットとＮ＋１番目のタイムスロットにおいて、光子が存在する確率がゼロとなるように強度変調を行う。また、ポンプ光源３１は、連続してコヒーレントパルス列を出力しているので、各セッションにおいて、強度変調手段３２から出力されるパルス列は、上記タイムスロットグループ毎にＮがランダムに変化した、０からＮ＋１の計Ｎ＋２個のタイムスロットで張られる量子もつれ光子対となる。
【０１０９】
該光子対は分離手段４によりシグナル光子とアイドラ光子に分離された後、それぞれ光受信機５、１１に送付される。なお、強度変調手段３２と位相変調手段３の順序は逆でも良い。また、図４のように、強度変調手段３２を非線形媒質３３の後段に配置することも可能である。
【０１１０】
本実施形態において、光受信機５、１１は、光子存在判定手段３５を備えている。この光子存在判定手段３５は、後述のように、第２の制御部（第３の制御部）により、Ｎ＋２番目タイムスロット公開手段３２によって公開されたＮ＋２番目タイムスロット番号情報が入力されると、第２の記憶手段（第３の記憶手段）に記録された時刻情報から、あるタイムスロットグループのＮ＋２番目のタイムスロットの番号に対応する時刻情報を取得し、該時刻情報に対応するディテクタ情報が第２の記憶手段（第３の記憶手段）にあるか否かを判定するように機能する。上述の、Ｎ＋２番目のタイムスロットの番号に対応する時刻に対応するディテクタ情報がある場合は、上記時刻に、光受信機５（光受信機１１）が備えるディテクタにて光子を検出したことになる。すなわち、光子が存在しないタイムスロットにて、光子を検出したことになり、後述のように、不正行為（盗聴）があったことになる。
【０１１１】
以下、本実施形態に係る盗聴検知方法を説明する。  
光送信機１は、第１の実施形態の工程１と同様にして量子もつれ光子対を光受信機５、１１へと送る。ただし、本実施形態では、光送信機１は、式（１２）で示される０からＮ＋１の計Ｎ＋２個のタイムスロットで張られるパケット状の量子もつれ状態をＮをランダムに変化させて送付する。式（１２）はすなわち、１番からＮ番のＮ個のタイムスロットにより張られた量子もつれ光子対を前後に１タイムスロットずつ空きタイムスロットを設けて送付することに相当する。光送信機１は上式の状態を、切れ目なしに送付する。すなわち、あるパケット（タイムスロットグループ）のＮ＋１番目のタイムスロットの次には、次のパケットの０番目のタイムスロットがくる。よって、次のパケットの０番目のタイムスロットが、その前のパケットのＮ＋２番目のタイムスロットとなる。
【０１１２】
次いで、第１の実施形態の工程２〜３と同様にして、光受信機５，１１にて光子を検出し、該検出した時刻情報を光送信機１へと送信する。
【０１１３】
まず、不正行為（盗聴）が無い場合を考える。  式（１２）の状態が遅延干渉計２２、２３を透過すると、式（４）と同様に、次の状態に変換される。
【０１１４】
【数１９】
2007288610.tif 000021
【０１１５】
式（１３）においては、同時計数に寄与する項のみを表示した。
【０１１６】
次に、不正が行われている場合を考える。光受信機１１の使用者βが不正な受信者であると仮定する。光受信機１１は、光送信機１の出力した２光子を共に捕獲して、遅延干渉計２３に入れ、同時計数を観測する。式（１３）より、０番目（＝Ｎ＋２番目）のタイムスロットにおいては、光子を検出する確率は通常０である。一方、１／（４Ｎ）の確率で光受信機１１はＮ＋１番目のスロットにおいて同時計数を観測するが、式（１３）に示すように該スロットにおける同時計数は光送信機１の位相変調とは相関のないランダムなものである。しかし使用者βは元のエンタングルメントが
【０１１７】
【数２０】
2007288610.tif 000022
【０１１８】
であったと思い込む。ここで、Δφeは、光受信機１１が同時観測から得た見かけ上の位相差である。よって、光受信機１１は状態
【０１１９】
【数２１】
2007288610.tif 000023
【０１２０】
を光受信機５の遅延干渉計２２に入力する。ここで、φAe＝Δφe−φBeであり、φBeは｛０，π｝からランダムに選択された値である。この状態が、光受信機５の遅延干渉計２２を通過すると次のように変換される。
【０１２１】
【数２２】
2007288610.tif 000024
【０１２２】
このとき、光受信機５は、１／４の確率ではＮ＋２番目のタイムスロット（すなわち、次のパケット（セッション）の０番目のタイムスロット）に光子を観測する。このように、光受信機５側で０番目のタイムスロットにおいて光子が検出されるということは、光受信機１１が不正行為（盗聴）をしているということである。よって、光送信機１と光受信機５とは通信をやめる。この方式は、光受信機５と光受信機１１との同時計数ではなく、光受信機５側（あるいは光受信機１１側）の０番目のタイムスロットにおける光子の検出のみに基づいているので、内部に不正行為者（盗聴者）がいたとしても不正行為を検知することが可能となる。
【０１２３】
盗聴者である光受信機１１は、次に示すような、連続の同時計数に基づく攻撃をすることも考えられる。例えば、光受信機１１はｘ連続の同時計数が得られたときのみｘ＋１連続のtime-bin qubitを再送信（resend）する。光受信機１１がＮ＋１番目のタイムスロットを最後のタイムスロットとして含むｘ連続同時計数を得たとき、使用者βは次の量子もつれ状態がきたと思い込む。
【０１２４】
【数２３】
2007288610.tif 000025
【０１２５】
ここで、φeは光受信機１１が同時観測から得たＮ＋１番目のタイムスロットにおける見かけ上の位相である。よって、光受信機１１は、状態
【０１２６】
【数２４】
2007288610.tif 000026
【０１２７】
を光送信機１の遅延干渉計２２に入力する。この状態が光送信機１の遅延干渉計２２を通過すると次のように変換される。
【０１２８】
【数２５】
2007288610.tif 000027
【０１２９】
このとき、１／｛２（ｘ＋１）｝の確率で光受信機５はＮ＋２番目のスロットに光子を観測するため、光受信機５の不正が検出できる。
【０１３０】
図６は、本実施形態に係る、盗聴検知の手順を示す図である。  
光送信機１は、０番目のタイムスロットとＮ＋１番目のタイムスロットとの光子が存在しない、計Ｎ＋２個のタイムスロットに張られるパケット状の量子もつれ光子対をＮをランダムに変化させて１セッション分発生し、それぞれの量子もつれ光子対の一方の光子を光受信機５へ、他方の光子を光受信機１１へと送信する（ステップ２１）。上記１セッションには、少なくとも１つのパケット状の量子もつれ光子対（タイムスロットグループ）を有することは言うまでもない。このとき、第１の制御部は、第１の実施形態の工程１に記載の動作に加えて、現在のセッション内において、強度変調手段３２にて、各タイムスロットグループにおける、０番目のタイムスロットおよびＮ＋１番目のタイムスロットに相当するタイムスロット時刻情報を第１の記憶手段に記録する。
【０１３１】
次いで、光受信機５、１１の各々は、それぞれが有するディテクタにて、光送信機１から送られた光子を検出し（ステップ２２）、光送信機１に、光子を受信した時刻に関する時刻情報を送信する（ステップ２３）。
【０１３２】
次いで、ステップ２４では、第１の制御部は、第１の記憶手段に記録された、タイムスロット時刻情報から各タイムスロットグループにおけるＮ＋２番目のタイムスロット時刻情報を取得する。この取得された情報が、Ｎ＋２番目タイムスロット番号情報である。光送信機１は、該取得されたＮ＋２番目タイムスロット番号情報を、光受信機５、１１に送信する。光受信機５、１１は、上記Ｎ＋２タイムスロット番号情報を受信すると（入力されると）、それぞれの記憶手段に記録する。
【０１３３】
このとき、光送信機１の使用者γが、古典通信や口答などによって、Ｎ＋２タイムスロット番号情報を、光受信機５、１１の使用者α、βに伝える場合は、使用者α、βはそれぞれ、Ｎ＋２タイムスロット番号情報を入力操作部によって、光受信機５、１１に入力する。
【０１３４】
すなわち、本実施形態で重要なことは、Ｎ＋２番目タイムスロット番号情報の伝達手段はいずれでも良く、光送信機１にて取得されたＮ＋２番目タイムスロット番号情報を、光受信機５、１１に入力することである。
【０１３５】
ステップ２５では、Ｎ＋２番目タイムスロット番号情報に基づいて、現在のセッション内の各タイムスロットグループにおける、Ｎ＋２番目のタイムスロットで光子を観測したか否かの判断を行う。具体的には、第２の制御部（第３の制御部）は、入力されたＮ＋２番目タイムスロット番号情報に基づき、第２の記憶手段（第３の記憶手段）を参照して、光子を受信した時刻情報から、Ｎ＋２番目のタイムスロットの番号（時間位置）に対応するＮ＋２番目時刻情報を取得する。そして、第２の制御部（第３の制御部）は、取得されたＮ＋２番目時刻情報に基づき、第２の記憶手段（第３の記憶手段）を参照して、ディテクタ情報から、Ｎ＋２番目のタイムスロットの番号に対応するディテクタ情報があるか否かを判断する。
【０１３６】
ステップ２５にて、Ｎ＋２番目のタイムスロットの番号に対応するディテクタ情報があると判断すると、第２の制御部（第３の制御部）は、第３の制御部（第２の制御部）が不正行為（盗聴）を行ったと判断し、不正行為があった旨の不正行為検知情報を光送信機１へと送信する（ステップ２６）。
【０１３７】
ステップ２７では、光送信機１は、第１の実施形態の工程４にて説明したようにして、鍵を生成する。
【０１３８】
ステップ２８では、光送信機１は、次のセッションの量子もつれ光子対の送信を行うか否かの判断を行う。行うと判断する場合は、ステップ２１に戻る。行わないと判断する場合は、光送信機１は、生成された鍵を用いて暗号通信を行う（ステップ２９）。
【０１３９】
なお、ステップ２９において、光送信機１は、ステップ２６にて、不正行為検知情報を受け取った場合は、そのセッション（不正が検出されたセッション）において生成した鍵を使わない（破棄する）ようにしても良いし、その前のセッションにおいて生成した鍵全てを信用できないものとして暗号通信そのものを中止するようにしても良い。
【０１４０】
本実施形態では、ステップ２５において、Ｎ＋２番目のタイムスロットで光子を観測したか否かの判断を行っているが、この判断は、光送信機１にて行っても良い。この場合は、光受信機５、１１が、取得したＮ＋２番目のタイムスロットの番号（時間位置）に対応するディテクタ情報を、光送信機１に送信する。不正行為が無ければ、Ｎ＋２番目のタイムスロットの番号に対応するディテクタ情報は無いはずなので、光送信機１は、光受信機５、１１から、Ｎ＋２番目のタイムスロットの番号（時間位置）に対応するディテクタ情報が送信されると、不正行為があったと判断する。
【０１４１】
なお、本実施形態では、パルス化した量子もつれ光子対を用いているが、連続光による、量子もつれ光子対を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る、量子暗号鍵共有システムの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、内部者による不正行為を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る、量子暗号鍵共有システムの構成図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る、量子暗号鍵共有システムの構成図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る、誤り率の測定手順を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る、盗聴検知の手順を示す図である。
【符号の説明】
【０１４３】
１    光送信機
２    量子もつれ光子対発生源
３    位相変調手段
４    分離手段
５、１１    光受信機
６、１２    光分岐器
７、１３    遅延器
８、１４    光カプラ
９、１５    ディテクタａ
１０、１６    ディテクタｂ
１７、１８、１９    情報伝送路
２０、２１    光伝送路
２２、２３    遅延干渉計
３１    ポンプ光源
３２    強度変調手段
３３    非線形媒質
３４    Ｎ＋２番目タイムスロット公開手段
３５    光子存在判定手段
【図１】
2007288610.tif 000028
【図２】
2007288610.tif 000029
【図３】
2007288610.tif 000030
【図４】
2007288610.tif 000031
【図５】
2007288610.tif 000032
【図６】
2007288610.tif 000033