(57)【要約】【課題】  ランダムに光子が発生するＣＷの伝令型量子鍵配付システムにおいて、伝令信号と量子信号が時間的に重なってしまうことによるクロストーク雑音を低減する。【解決手段】  エンタングル光子対の一方をエンタングル光子対の他方の到着を知らせる伝令信号として用いる量子鍵配布システムであって、送信装置は、エンタングル光子対を発生する光子対発生源と、エンタングル光子対の一方を検出する光検出器と、光検出器が検出することにより伝令信号を発生する伝令用レーザー光源と、エンタングル光子対の他方である量子信号を遅延させる遅延調整器と、伝令信号発生手段により発生した伝令信号と、遅延調整器により遅延した量子信号とを波長多重して伝送路へ送出する波長多重フィルタと、を備え、遅延調整器における遅延時間が、伝送路内での量子信号に対する伝令信号の遅れを、光子検出器のデッドタイム以下とするものである。【選択図】図１
2012182715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送路により結ばれた送信装置と受信装置とを備え、エンタングル光子対の一方をエンタングル光子対の他方の到着を知らせる伝令信号として用いる量子鍵配布システムであって、
前記送信装置は、
ポンプ光源と、
前記ポンプ光源が発生したポンプ光が入射されたときにエンタングル光子対を発生する光子対発生源と、
前記エンタングル光子対の一方を検出する光検出器と、
前記光検出器が前記エンタングル光子対の一方を検出することにより前記伝令信号を発生する伝令用レーザー光源と、
前記エンタングル光子対の他方である量子信号を遅延させる遅延調整器と、
前記伝令信号発生手段により発生した前記伝令信号と、前記遅延調整器により遅延した前記量子信号とを波長多重して前記伝送路へ送出する波長多重フィルタと、を備え、
前記遅延調整器における遅延時間が、前記伝送路内での前記量子信号に対する前記伝令信号の遅れを、前記光子検出器のデッドタイム以下とするものであることを特徴とする量子鍵配付システム。
【請求項２】
伝送路により結ばれた受信装置とともに、エンタングル光子対の一方をエンタングル光子対の他方の到着を知らせる伝令信号として用いる量子鍵配布システムを構成する送信装置であって、
ポンプ光源と、
前記ポンプ光源が発生したポンプ光が入射されたときにエンタングル光子対を発生する光子対発生源と、
前記エンタングル光子対の一方を検出する光検出器と、
前記光検出器が前記エンタングル光子対の一方を検出することにより前記伝令信号を発生する伝令用レーザー光源と、
前記エンタングル光子対の他方である量子信号を遅延させる遅延調整器と、
前記伝令信号発生手段により発生した前記伝令信号と、前記遅延調整器により遅延した前記量子信号とを波長多重して前記伝送路へ送出する波長多重フィルタと、を備え、
前記遅延調整器における遅延時間が、前記伝送路内での前記量子信号に対する前記伝令信号の遅れを、前記光子検出器のデッドタイム以下とするものであることを特徴とする送信装置。
【請求項３】
エンタングル光子対の一方をエンタングル光子対の他方の到着を知らせる伝令信号として用いる量子鍵配布システムを構成する送信装置で行われ、伝送路により結ばれた受信装置に対して伝送信号を送出する際の量子鍵配布システムにおける伝送信号生成方法であって、
光子対発生源が、ポンプ光源が発生したポンプ光が入射されたときにエンタングル光子対を発生し、
光検出器が、前記エンタングル光子対の一方を検出し、
伝令用レーザー光源が、前記光検出器が前記エンタングル光子対の一方を検出することにより前記伝令信号を発生し、
遅延調整器が、前記エンタングル光子対の他方である量子信号を遅延させ、
波長多重フィルタが、前記伝令信号発生手段により発生した前記伝令信号と、前記遅延調整器により遅延した前記量子信号とを波長多重して前記伝送路へ送出し、
前記遅延調整器は、前記遅延時間により、前記伝送路内での前記量子信号に対する前記伝令信号の遅れを、前記光子検出器のデッドタイム以下とすることを特徴とする量子鍵配布システムにおける伝送信号生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子鍵配付システムにおける同期方法に関し、特にエンタングル光子対を用いた量子鍵配付における低雑音な同期方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、盗聴行為に対する絶対安全性を持つ暗号化通信を実現する方法として非特許文献１に開示されるような量子鍵配付（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ：  ＱＫＤ）が盛んに研究され、実用化開発が進んでいる。
【０００３】
ＱＫＤの実装方法の１つとして、非特許文献２に開示されるようなエンタングル光子対を用いた方法が提案されている。
【０００４】
エンタングル光子対とは、量子力学的な相関を持った１組の光子であり、特定の非線形光学結晶内で１つの光子が２つに分裂することによって生成される。
【０００５】
エンタングル光子対を２者に１つずつ分配し、両者で独立に測定する。エンタングル光子対が持つ量子相関によって両者の測定結果には相関が現れる。これを利用して両者は暗号鍵を共有することができる。エンタングル光子対を利用した方法ではＱＫＤの長距離化や安全性の保証が容易になることなどの利点がある。
【０００６】
前述のように、エンタングル光子対は、１つの光子が分割されて２つの光子が生成されることによって得ることができる。したがって、この２つの光子の発生時刻は必ず同時刻であるため、２人の受信者がそれぞれの光子を観測する場合、一方の受信者（Ａｌｉｃｅ）の光子検出時刻からもう一方の受信者（Ｂｏｂ）に光子が到着する時刻を知ることができる。伝送路の長さは短い時間スケールではほぼ一定と考えられるため、Ａｌｉｃｅの検出時刻とＢｏｂの検出時刻との差は常にほぼ一定の値となるからである。
【０００７】
このことを利用して、Ａｌｉｃｅが光子対の発信源に近い地点で先に光子検出を行い、光子を検出した際にはＢｏｂにそれを知らせるための信号（伝令信号）を送信する「伝令型」と呼ばれる方法がある。これによるとＢｏｂはＡｌｉｃｅからの伝令信号をもとに光子の到着時刻を知ることができ、光子が到着する瞬間のみ光子検出器をＯＮにすること（ゲート動作）によって雑音を大幅に減らすことができる。
【０００８】
図２に、伝令型システムの一例を示し、以下にその動作について説明する。
【０００９】
Ａｌｉｃｅが利用する送信装置では、ポンプ光源２０１から発生したレーザー光は内部に非線形結晶を含む光子対発生源２０２に入射し、１つの光子が２つに分割されてエンタングル光子対となる。エンタングル光子対の一方は、光子対発生源２０２に近い場所に設置されている単一光子検出器２０３により検出され、その結果をもとに伝令用レーザー光源２０４から伝令信号２０５が光パルスとして出力される。この伝令信号２０５と、エンタングル光子対の他方となるエンタングル光子（量子信号２０６）とをＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）フィルタ２０７によって波長多重したのちファイバ伝送路２０８へと送出する。
【００１０】
Ｂｏｂが利用する受信装置では受け取った光信号を再びＷＤＭフィルタ２０９で伝令信号２１０と量子信号２１１に分離する。伝令信号２１０は通常の光検出器２１２によって検出され、その検出信号は遅延調整回路２１３で適切なタイミングに調整されたのち、Ｂｏｂの光子検出器２１４をＯＮにするための信号（ゲート信号）として利用される。一方、量子信号２１１はファイバ遅延線２１５によって固定時間の遅延を受けたのちに光子検出器２１４へと入射する。これは量子信号が直接光子検出器に向かってしまうと、通常はゲート信号よりも先に量子信号が検出器に到着してしまうからである。
【００１１】
以上のような伝令型システムによって量子信号が到着する瞬間のみ光子検出器２１４をＯＮにすることができ、雑音を大幅に低減することが可能となる。
【非特許文献１】ベネット（Ｂｅｎｎｅｔｔ）、ブラサール（Ｂｒａｓｓａｒｄ）著  ＩＥＥＥコンピュータ、システム、信号処理国際会議（ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ．  Ｃｏｎｆ．  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，  Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，  Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，  Ｉｎｄｉａ，  ｐ．１７５，１９８４）
【非特許文献２】エカート（Ｅｋｅｒｔ）著  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ６７，  ６６１−６６３  （１９９１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図２に示したような伝令型システムにおける問題点は、伝令信号は量子信号に比べて非常に大きな強度を持つため、ＷＤＭフィルタを利用した場合でも波長分離の不完全性から伝令信号が量子信号側に漏れこみ、クロストーク雑音が発生してしまうことである。この問題は光源が周期的なクロックに従ったパルス光源の場合には光子が発生していない時間帯に伝令信号を送信する時分割多重（ＴＤＭ）によって解決することができる。しかし光源が連続発振光（ＣＷ）の場合には光子の発生時刻はランダムになるため、ある光子対から生成された伝令信号と別の光子対の量子信号とがある確率で重なってしまうことが避けられなかった。
【００１３】
本発明の目的は、ランダムに光子が発生するＣＷの伝令型量子鍵配付システムにおいて、伝令信号と量子信号が時間的に重なってしまうことによるクロストーク雑音を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の量子鍵配付システムは、伝送路により結ばれた送信装置と受信装置とを備え、エンタングル光子対の一方をエンタングル光子対の他方の到着を知らせる伝令信号として用いる量子鍵配布システムであって、
前記送信装置は、
ポンプ光源と、
前記ポンプ光源が発生したポンプ光が入射されたときにエンタングル光子対を発生する光子対発生源と、
前記エンタングル光子対の一方を検出する光検出器と、
前記光検出器が前記エンタングル光子対の一方を検出することにより前記伝令信号を発生する伝令用レーザー光源と、
前記エンタングル光子対の他方である量子信号を遅延させる遅延調整器と、
前記伝令信号発生手段により発生した前記伝令信号と、前記遅延調整器により遅延した前記量子信号とを波長多重して前記伝送路へ送出する波長多重フィルタと、を備え、
前記遅延調整器における遅延時間が、前記伝送路内での前記量子信号に対する前記伝令信号の遅れを、前記光子検出器のデッドタイム以下とするものであることを特徴とする。
【００１５】
本発明の送信装置は、伝送路により結ばれた受信装置とともに、エンタングル光子対の一方をエンタングル光子対の他方の到着を知らせる伝令信号として用いる量子鍵配布システムを構成する送信装置であって、
ポンプ光源と、
前記ポンプ光源が発生したポンプ光が入射されたときにエンタングル光子対を発生する光子対発生源と、
前記エンタングル光子対の一方を検出する光検出器と、
前記光検出器が前記エンタングル光子対の一方を検出することにより前記伝令信号を発生する伝令用レーザー光源と、
前記エンタングル光子対の他方である量子信号を遅延させる遅延調整器と、
前記伝令信号発生手段により発生した前記伝令信号と、前記遅延調整器により遅延した前記量子信号とを波長多重して前記伝送路へ送出する波長多重フィルタと、を備え、
前記遅延調整器における遅延時間が、前記伝送路内での前記量子信号に対する前記伝令信号の遅れを、前記光子検出器のデッドタイム以下とするものであることを特徴とする。
【００１６】
本発明の量子鍵配布システムにおける伝送信号生成方法は、エンタングル光子対の一方をエンタングル光子対の他方の到着を知らせる伝令信号として用いる量子鍵配布システムを構成する送信装置で行われ、伝送路により結ばれた受信装置に対して伝送信号を送出する際の量子鍵配布システムにおける伝送信号生成方法であって、
光子対発生源が、ポンプ光源が発生したポンプ光が入射されたときにエンタングル光子対を発生し、
光検出器が、前記エンタングル光子対の一方を検出し、
伝令用レーザー光源が、前記光検出器が前記エンタングル光子対の一方を検出することにより前記伝令信号を発生し、
遅延調整器が、前記エンタングル光子対の他方である量子信号を遅延させ、
波長多重フィルタが、前記伝令信号発生手段により発生した前記伝令信号と、前記遅延調整器により遅延した前記量子信号とを波長多重して前記伝送路へ送出し、
前記遅延調整器は、前記遅延時間により、前記伝送路内での前記量子信号に対する前記伝令信号の遅れを、前記光子検出器のデッドタイム以下とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
光子検出器は一度光子を検出した後再び光子検出できるようになるまでにタイムラグを持ち、これを光子検出器のデッドタイムと呼ぶ。Ｓｉ製の光子検出器の場合、典型的なデッドタイムは５０ｎｓ程度である。本発明では量子信号に対する伝令信号の遅れがＡｌｉｃｅの光子検出器のデッドタイム以下となるよう、Ａｌｉｃｅ内部の量子信号の経路に適切な遅延調整器（光ファイバによる遅延線など）を設ける。
【００１８】
本発明によれば、Ａｌｉｃｅの光子検出器のデッドタイムにより量子信号の直後（典型的には約５０ｎｓ以内）には新たな量子信号が発生しない（正確には、発生している可能性はあるが、これと対になる光子はデッドタイムにより検出できないためもともとＱＫＤに用いることができない）ことを利用することで、伝令信号と量子信号とが時間的に重ならないようにしている。これにより大きな強度を持つ伝令信号からのクロストーク雑音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による一実施形態の構成を示す図である。
【図２】従来技術の構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明による一実施形態の構成を示すブロック図である。
【００２２】
Ａｌｉｃｅが利用する送信装置は、ポンプ光源１０１、光子対発生源１０２、単一光子検出器１０３、伝令用レーザー光源１０４、遅延調整器１１６、および、ＷＤＭフィルタ１０７より構成されている。
【００２３】
Ｂｏｂが利用する受信装置は、ＷＤＭフィルタ１０９、光検出器１１２、遅延調整回路１１３、光子検出器１１４、および、ファイバ遅延線１１５より構成されている。送信装置と受信装置間はファイバ伝送路１０８により結ばれている。
【００２４】
ポンプ光源１０１から発生したレーザー光は内部に非線形結晶を含む光子対発生源１０２に入射し、１つの光子が２つに分割されてエンタングル光子対となる。エンタングル光子対の一方は光子対発生源１０２に近い場所に設置されている単一光子検出器１０３により検出され、その結果をもとに伝令用レーザー光源１０４から伝令信号１０５が光パルスとして出力される。
【００２５】
エンタングル光子対の他方となるエンタングル光子（量子信号１０６）は、光ファイバなどによる遅延調整器１１６を通った後、ＷＤＭフィルタ（波長多重フィルタ）１０７によって伝令信号１０５と波長多重され、ファイバ伝送路１０８へと送出される。このときファイバ伝送路１０８内で量子信号に対して伝令信号がＡｌｉｃｅの光子検出器１０３のデッドタイム以下の遅れとなるように、遅延調整器１１６を調節する。Ｓｉ製光子検出器の場合の典型的なデッドタイムは５０ｎｓ程度であるため、両信号間の時間差は約２０ｎｓが妥当である。
【００２６】
Ｂｏｂでは受け取った光信号を再びＷＤＭフィルタ（波長分離フィルタ）１０９で伝令信号１１０と量子信号１１１に分離する。伝令信号１１０は通常の光検出器１１２によって検出され、その検出信号は遅延調整回路１１３で適切なタイミングに調整されたのち、Ｂｏｂの光子検出器１１４をＯＮにするための信号（ゲート信号）として利用される。一方、量子信号１１１はファイバ遅延線１１５によって固定時間の遅延を受けたのちに光子検出器１１４へと入射する。これは量子信号が直接光子検出器に向かってしまうと、通常はゲート信号よりも先に量子信号が検出器に到着してしまうからである。
【００２７】
本発明のようにＡｌｉｃｅ内部の遅延調整器１１６を用いて量子信号に対する伝令信号の遅れを光子検出器１０３のデッドタイム以下に調整することにより、伝令信号と重なるような量子信号が発生していたとしてもそれと対になる光子は光子検出器１０３のデッドタイムにより検出されないようにしているため、ＱＫＤに利用する光子対に限っては伝令信号からの漏れ込みを防ぐことができる。
【符号の説明】
【００２８】
１０１  ポンプ光源
１０２  光子対発生源
１０３  単一光子検出器
１０４  伝令用レーザー光源
１０５  伝令信号
１０６  量子信号
１０７  ＷＤＭフィルタ
１０８  ファイバ伝送路
１０９  ＷＤＭフィルタ
１１０  伝令信号
１１１  量子信号
１１２  光検出器
１１３  遅延調整回路
１１４  光子検出器
１１５  ファイバ遅延線
１１６  遅延調整器
【図１】
2012182715.tif 000003
【図２】
2012182715.tif 000004