(57)【要約】【課題】量子鍵配布を用いて簡単かつ低コストに共通鍵を生成できるＩＣカードを提供する。【解決手段】変調部２１２は、光パルスを変調して量子通信路５１に出力する。通信部２１５は、古典通信路を介してデータ通信を行う。制御部２１６は、光パルスの変調状態を切り替えて量子通信を行い、量子通信とデータ通信を行って共通鍵を生成する。量子鍵配布を用いて簡単かつ低コストにＩＣカード２１で共通鍵を生成できるようになる。変調部２１２は、端末装置３１の光源部３１１から出力された光パルスを変調してもよく、ＩＣカード２１に光源部を設けて、この光源部から出力された光パルスを変調してもよい。また、変調後の光パルスの出力は、ＩＣカードの表面から出力してもよく、カード端面から出力するように構成してもよい。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルスを変調して量子通信路に出力する変調部と、
古典通信路を介して古典通信を行う通信部と、
前記光パルスの変調状態を切り替えて量子通信を行い、該量子通信の通信結果に応じた情報の前記古典通信に基づいて共通鍵を生成する制御部と
を備えるＩＣカード。
【請求項２】
前記変調部は、端末装置から出力された前記光パルスの変調を行う請求項１記載のＩＣカード。
【請求項３】
前記変調部は、カードの一方の面から入力された光パルスを変調して他方の面から出力する請求項２記載のＩＣカード。
【請求項４】
前記光パルスを反射する反射部を備え、
前記変調部から出力された光パルスを反射して前記変調部に戻し、
前記変調部は、カードの一方の面から入力された光パルスを変調して、前記一方の面から出力する請求項２記載のＩＣカード。
【請求項５】
カード端部から前記変調部に光パルスを入力するための第１の導波路と、
前記変調部で変調された光パルスをカード端部から出力する第２の導波路を有する請求項２記載のＩＣカード。
【請求項６】
カードの一方の面から入力された光パルスの光路を曲げて導波路を介してカード端部から出力させる光路変換部を備え、
前記光パルスの光路の途中に前記変調部を設けた請求項２記載のＩＣカード。
【請求項７】
光パルスを生成する光源部をさらに備え、
前記変調部は、前記光源部で生成された前記光パルスの変調を行う請求項１記載のＩＣカード。
【請求項８】
前記光源部から前記変調部に光パルスを入力するための第１の導波路と、
前記変調部で変調された光パルスをカード端部から出力する第２の導波路を有する請求項７記載のＩＣカード。
【請求項９】
カード面方向に形成されている導波路を介して前記光源部から供給される光パルスの光路を曲げて、カードの一方の面から出力させる光路変換部を備え、
前記光パルスの光路の途中に前記変調部を設けた請求項７記載のＩＣカード。
【請求項１０】
前記光源部と前記変調部を積層構造として、
前記光源部で生成された前記光パルスを前記変調部で変調して、カードの一方の面から出力させる請求項７記載のＩＣカード。
【請求項１１】
前記変調部は、前記光パルスの偏光変調または位相変調を行う請求項１記載のＩＣカード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この技術は、ＩＣカードに関する。詳しくは、ＩＣカードに量子暗号通信機能を設けることで、安全に共有秘密鍵を生成できるようにする。
【背景技術】
【０００２】
従来、インターネットなどを通じて行う通信におけるセキュリティは、暗号技術によって守られている。暗号方式は、大別して共通鍵暗号と公開鍵暗号の二つの方式がある。例えば共通鍵暗号方式ではＡＥＳ（Advanced Encryption Standard）など、公開鍵暗号方式ではＲＳＡなどが現在よく使われている。
【０００３】
共通鍵暗号方式は、通信を行う二者が共通の秘密鍵を保持する。送信者は、秘密鍵を用いて平文を暗号化して暗号文を作成し、受信者は暗号文を同じ秘密鍵を用いて復号化して元の平文を得る。
【０００４】
共通鍵暗号方式において、セキュリティ保持の要は、鍵の秘密を保つことにある。共通鍵暗号方式は、鍵を総当たりで調べる所謂「総当たり攻撃」が行われると、高い確率で鍵が明らかになる。もちろん、現時点で用いられている共通鍵暗号方式においては、この総当たり攻撃を行うためのリソース（計算機の性能や数）が現実的ではないほど多く必要であると見積もられている。したがって、現時点においては安全であると言える。しかし、将来、計算機の性能の向上等によって総当たり攻撃が現実的になることが予想され、実際、従来から用いられている２−ｋｅｙ  ＴＤＥＳ（Triple DES）と呼ばれる方式は、ＡＥＳへの移行が推奨されている。
【０００５】
総当たり攻撃を含む攻撃に対しては、共通鍵を頻繁に更新する方法を用いることで、セキュリティを強化することができる。つまり、仮に攻撃者は通信を盗聴して鍵を得たとしても、鍵が頻繁に更新されているならば、その鍵で解読できる暗号文の量は少なくなり、全体として攻撃者が得る情報は相対的に少なくなる。
【０００６】
共通鍵を頻繁に更新する一つの方法として、特許文献１に示すように、量子暗号通信を用いて量子鍵配布（ＱＫＤ：Quantum Key Distribution）を行う方法が提案されている。量子鍵配布は、量子状態を送ることができる通信路と通常の通信路とにより結ばれた二者間で、共通の秘密鍵を生成するプロトコルである。このプロトコルは量子力学の原理に基づいており、たとえ通信路が攻撃者により盗聴されたとしても、生成された秘密鍵の情報が、攻撃者には漏れないとされている。この量子鍵配布プロトコルを用いれば、離れた二者間においても、秘密鍵を安全に共有できるので、量子鍵配布プロトコルを用いて随時鍵を生成することにより、先に述べた共通鍵の更新を頻繁に行うことができる。このように、量子鍵配布と共通鍵暗号を組み合わせることにより、共通鍵暗号方式のセキュリティを強化することができる。
【０００７】
量子鍵配布では、例えばＢＢ８４プロトコルやＢ８４プロトコルを拡張した６状態方式のプロトコルが用いられている。また、特許文献２に示されているように、光パルスの強度変調を行うことにより量子鍵配布の暗号的な強度をより強めることができるデコイ法を用いることも行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４０１５３８５号
【特許文献２】特開２００７−２８６５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、決済手段や個人識別手段などの様々な用途で、情報の記録や演算を行うことのできる集積回路を組み込んだＩＣ（Integrated Circuit）カードが広く用いられている。ＩＣカードを用いるシステムにおいては、相互認証や暗号化通信に暗号鍵が用いられており、暗号鍵の高い安全性が要求される。
【００１０】
また、従来の量子鍵配布では、量子鍵を配布するために、大掛かりで複雑かつ高価な通信装置を、共通鍵を生成したい二者でそれぞれ保有しなければならない。また、量子鍵の配布では、例えば途中に中継や増幅のない光ファイバや、見通しのきく空間での光伝送を使った量子通信路によって、共通鍵を生成したい二者間を結ぶ必要がある。したがって、個人が量子鍵配布を用いて、安全に共通鍵を生成して利用することが難しい。
【００１１】
そこで、本技術では、量子鍵配布を用いて簡単かつ低コストで安全に共通鍵を生成できるＩＣカード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】
【００１２】
この技術は、光パルスを変調して量子通信路に出力する変調部と、古典通信路を介して古典通信を行う通信部と、前記光パルスの変調状態を切り替えて量子通信を行い、前記光パルスの変調状態を切り替えて量子通信を行い、該量子通信の通信結果に応じた情報の前記古典通信に基づいて共通鍵を生成する制御部とを備えるＩＣカードにある。
【００１３】
この技術においては、変調部における光パルスの変調状態が制御部によって制御されて例えば予め設定した複数の変調状態のいずれかにランダムに切り替えられて量子通信が行われる。また、量子通信の通信結果に応じた情報の古典通信に基づいて共通鍵の生成が制御部で行われる。変調部では、カードの一方の面に入力された端末装置からの光パルスを変調して他方の面から出力する。または、光パルスを反射する反射部が設けられて、変調部から出力された光パルスを反射して変調部に戻し、変調部は、カードの一方の面から入力された光パルスを変調して、一方の面から出力する。または、カード端部から第１の導波路を介して変調部に光パルスを入力して、変調部で変調された光パルスを第２の導波路を介してカード端部から出力する。または、カードの一方の面から入力された光パルスの光路を曲げて導波路を介してカード端部から出力させる光路変換部を備え、変調部が光パルスの光路の途中に設けられる。
【００１４】
光パルスを生成する光源部がＩＣカードに設けられる場合、光源部から第１の導波路を介して供給された光パルスを変調部で変調して、第２の導波路を介してカード端部から出力する。または、カード面方向に形成されている導波路を介して光源部から供給される光パルスの光路を光路変換部によって曲げて、カードの一方の面から出力させて、光パルスの光路の途中に変調部を設けて光パルスの変調を行う。または、光源部と変調部を積層構造として、光源部で生成された光パルスを変調部で変調して、カードの一方の面から出力させる。また、変調部では、例えば光パルスの偏光変調または位相変調を行う。
【発明の効果】
【００１５】
この技術によれば、ＩＣカードに、光パルスを変調して出力する変調部と、光パルスの変調状態を予め設定した複数の変調状態のいずれかにランダムに切り替える制御部とが設けられて、端末装置との間で量子暗号通信を行うことが可能となる。したがって、量子暗号通信により簡単かつ低コストで安全に共通鍵を生成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ＩＣカードを用いたシステムの全体構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の全体構成を示す図である。
【図３】第１の実施の形態におけるＩＣカードの第１の構造例を示した図である。
【図４】第１の実施の形態における端末装置の第１の構造例を示した図である。
【図５】量子暗号通信を行うための光学系のブロック構成を示した図である。
【図６】偏光変調を説明するための図である。
【図７】第１の実施の形態におけるＩＣカードの第２の構造例を示した図である。
【図８】第１の実施の形態における端末装置の第２の構造例を示した図である。
【図９】第１の実施の形態におけるＩＣカードの第３の構造例を示した図である。
【図１０】第１の実施の形態における端末装置の第３の構造例を示した図である。
【図１１】位相変調器が用いられた場合の端末装置の第３の構造例を示した図である。
【図１２】位相変調を用いた場合の変調分析部３１２の構成を示した図である。
【図１３】第１の実施の形態におけるＩＣカードの第４の構造例を示した図である。
【図１４】第１の実施の形態における端末装置の第４の構造例を示した図である。
【図１５】位相変調器が用いられた場合の端末装置の第４の構造例を示した図である。
【図１６】第２の実施の形態の全体構成を示す図である。
【図１７】第２の実施の形態におけるＩＣカードの第１の構造例を示した図である。
【図１８】第２の実施の形態における端末装置の第１の構造例を示した図である。
【図１９】第２の実施の形態におけるＩＣカードの第２の構造例を示した図である。
【図２０】第２の実施の形態における端末装置の第２の構造例を示した図である。
【図２１】第２の実施の形態におけるＩＣカードの第３の構造例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本技術を実施するための形態について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．ＩＣカードを用いたシステムの全体構成
２．第１の実施の形態の全体構成
２−１．第１の実施の形態におけるＩＣカードと端末装置の第１の構造例
２−２．ＩＣカードと端末装置の通信動作
２−３．第１の実施の形態におけるＩＣカードと端末装置の第２の構造例
２−４．第１の実施の形態におけるＩＣカードと端末装置の第３の構造例
２−５．第１の実施の形態におけるＩＣカードと端末装置の第４の構造例
３．第２の実施の形態の全体構成
３−１．第２の実施の形態におけるＩＣカードと端末装置の第１の構造例
３−２．第２の実施の形態におけるＩＣカードと端末装置の第２の構造例
３−３．第２の実施の形態におけるＩＣカードと端末装置の第３の構造例
【００１８】
＜１．ＩＣカードを用いたシステムの全体構成＞
図１は、ＩＣカードを用いたシステム１０の全体構成を例示している。センター１１には、ＩＣカードと通信を行う端末装置がネットワークを介して接続されている。端末装置としては、量子暗号通信機能が設けられたＩＣカード（ＱＫＤ  ＩＣ−Ｃａｒｄ）２１との間で量子暗号通信が可能な端末装置３１、例えば量子暗号通信機能を設けたＡＴＭ（ＱＫＤ−ＡＴＭ）３１-1等が用いられる。また、端末装置として、量子暗号通信機能が設けられていない端末装置３２、例えば従来のＡＴＭ３２-1、ＩＣカードを利用して入退室管理を行うための入退出管理装置３２-2、ＩＣカードの端末機能を有したコンピュータ（ＰＣ）３２-3等も用いることが可能とされている。
【００１９】
量子暗号通信機能を有したＩＣカード２１と端末装置３１は、量子暗号通信によって量子鍵配布を行い共通鍵を生成する。また、生成した共通鍵を用いて、ＩＣカードと端末装置との間で共通鍵暗号方式の通信を行う。共通鍵暗号方式としては，先に述べたＡＥＳなどのブロック暗号の他，ストリーム暗号，バーナム暗号などが用いられる。さらに、生成した共通鍵をセンター１１から量子暗号通信機能が設けられていない端末装置３２に供給して、共通鍵暗号方式の通信や共通鍵を用いた認証等を、端末装置３２で行う。なお、ＩＣカード２１は、端末装置と非接触状態または接触状態で通信を行う。
【００２０】
ＩＣカード２１は、量子暗号通信を行う場合、端末装置３１に設けられている光源部から出力された光パルス、またはＩＣカード２１内に設けられている光源部から出力された光パルスを変調して、量子暗号通信を行う。光パルスの変調では、例えば偏光変調や位相変調を行う。以下、第１の実施の形態では、量子暗号通信機能を有した端末装置に設けられている光源部から出力された光パルスをＩＣカードで変調して量子暗号通信を行う場合について説明する。また、第２の実施の形態では、ＩＣカードに設けられている光源部から出力された光パルスを変調して量子暗号通信を行う場合について説明する。
【００２１】
＜２．第１の実施の形態の全体構成＞
図２は、第１の実施の形態の全体構成を示す図である。ＩＣカード２１と端末装置３１は、量子通信路５１と古典通信路５５を介して接続される。
【００２２】
ＩＣカード２１は、変調部２１２、メモリ部２１３、暗号化／復号化部２１４、通信部２１５、制御部２１６を有している。
【００２３】
変調部２１２は、端末装置３１から出力された光パルスの例えば偏光状態を、予め設定した複数の偏光基底のいずれかに切り替える。変調部２１２は、可変波長板例えば液晶リターダ等を用いて構成されている。変調部２１２は、制御部２１６からの制御信号に基づいて偏光変調を行い、端末装置３１から出射された光パルスの偏光状態を、制御信号に基づき予め設定した複数の偏光基底のいずれかに高速に切り替えて、量子通信路５１を介して端末装置３１に供給する。
【００２４】
メモリ部２１３は、制御部２１６で生成された共通鍵ＫＹcや種々の情報を記憶する。また、暗号化／復号化部２１４は、メモリ部２１３に記憶されている共通鍵ＫＹcを用いて、メモリ部２１３に記憶されている情報ＤＶaの暗号化や、暗号化されている情報ＤＶaeの復号化を行う。
【００２５】
通信部２１５は、暗号を用いない情報ＤＶbや暗号化／復号化部２１４で暗号化された情報ＤＶaeを、古典通信路５５を介して端末装置３１に送信する。また、通信部２１５は古典通信路５５を介して端末装置３１から送信された情報を受信する。通信部２１５は、受信した情報が暗号化されていない場合、受信した情報を例えばメモリ部２１３に記憶させる。また、通信部２１５は、受信した情報が暗号化されている場合、受信した情報ＤＶaeを暗号化／復号化部２１４に供給する。したがって、復号化がなされた情報ＤＶaが暗号化／復号化部２１４からメモリ部２１３に供給されて記憶される。
【００２６】
制御部２１６は、量子暗号通信を行うために、端末装置３１から出力された光パルスに対して変調部２１２で行う変調処理の制御を行う。また、制御部２１６は、通信部２１５や古典通信路５５を介して端末装置３１と通信を行い、量子暗号通信の通信結果から共通鍵を生成する処理、情報の通信制御や共通鍵を用いた暗号化や復号化の制御等を行う。
【００２７】
端末装置３１は、光源部３１１、変調分析部３１２、メモリ部３１３、暗号化／復号化部３１４、通信部３１５、制御部３１６を有している。
【００２８】
光源部３１１は、レーザダイオードやＬＥＤなどの半導体発光素子を用いて構成されている。光源部３１１は、半導体発光素子から出力された光パルスをＩＣカード２１に出力する。また、光源部３１１は、制御部３１６によって光パルスの出力制御が行われる。なお、光源部３１１には、半導体発光素子から出射された光パルスをコリメートするレンズ等を設けてもよい。
【００２９】
変調分析部３１２は、光学部３１２ａと受光部３１２ｂを有している。光学部３１２ａは、ＩＣカード２１から量子通信路５１を介して供給された偏光変調後の光パルスを、偏光基底毎に振り分ける。受光部３１２ｂは、偏光基底毎に振り分けられた光パルスを偏光基底毎に検出して、検出結果を制御部３１６に出力する。
【００３０】
メモリ部３１３は、制御部３１６で受光部３１２ｂからの検出結果に基づいて生成された共通鍵ＫＹcを記憶する。また、暗号化／復号化部３１４は、メモリ部３１３に記憶されている共通鍵ＫＹcを用いて、暗号を用いる情報ＤＶaの暗号化や、暗号化されている情報ＤＶaeの復号化を行う。
【００３１】
通信部３１５は、暗号を用いない情報ＤＶbや暗号化／復号化部３１４で暗号化された情報ＤＶaeを、古典通信路５５を介してＩＣカード２１に送信する。また、通信部３１５は古典通信路５５を介してＩＣカード２１から送信された情報を受信する。通信部３１５は、受信した情報が暗号化されていない場合、受信した情報ＤＶbを信号処理部（図示せず）に供給する。また、通信部３１５は、受信した情報が暗号化されている場合、受信した情報ＤＶaeを暗号化／復号化部３１４に供給する。したがって、復号化がなされた情報ＤＶaが暗号化／復号化部３１４から信号処理部に供給される。
【００３２】
制御部３１６は、光源部３１１に対して光パルスの出力制御を行う。また、制御部３１６は、受光部３１２ｂの検出結果を用いて、通信部３１５や古典通信路５５を介してＩＣカード２１と通信を行い、量子暗号通信の通信結果から共通鍵を生成する処理、情報の通信制御や共通鍵を用いた暗号化や復号化の制御等を行う。
【００３３】
＜２−１．第１の実施の形態におけるＩＣカードと端末装置の第１の構造例＞
図３は、第１の実施の形態におけるＩＣカードの第１の構造例を示している。なお、図３の（Ａ）はＩＣカードの斜視図、図３の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩＣカードのＩ−Ｉ位置における断面概略図を示している。ＩＣカード２１は、図２に示すメモリ部２１３、暗号化／復号化部２１４、通信部２１５および制御部２１６が設けられている基板２５を、外装シート２６で挟み込んだ構成とされている。外装シート２６には貫通孔が形成されており、貫通孔に変調部２１２例えば液晶リターダが取り付けられている。変調部２１２は、ＩＣカード２１の一方の面から入力された光パルスを変調して他方の面から出力する。
【００３４】
図４は、第１の実施の形態における端末装置の第１の構造例を示している。端末装置３１では、光源部３１１と変調分析部３１２が対向して設けられており、光源部３１１から出力された光パルスが変調分析部３１２に入力される。また、端末装置３１でＩＣカード２１と量子暗号通信を行う場合、ＩＣカード２１は、光源部３１１から出力された光パルスを変調部２１２で変調できる位置に配置される。なお、変調部２１２における光パルスの入力面側に偏光子４０１を設ければ、後述するように、光源部３１１に対して変調部２１２の位置を精密に制御しなくとも、偏光方向と変調部２１２の光学軸を所望の角度とすることができる。偏光子４０１は、端末装置３１に設けることで、ＩＣカード２１の構成を簡単にできる。
【００３５】
図５は、量子暗号通信を行うための光学系のブロック構成について示している。なお、図５は、偏光変調を行う場合である。光源部３１１から出力された光パルスは、変調部２１２によって変調される。変調部２１２では、光パルスの偏光状態を４種類の偏光状態のいずれかに変換する液晶リターダが用いられている。液晶リターダは、光源部３１１から出力された光パルスの直線偏光の向きに対して、光学軸を４５度傾けて設けられる。液晶リターダは、制御部２１６からの制御信号に応じて、そのＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差を変化させる。
【００３６】
また、変調部２１２では、光源部３１１から出力された光パルスが直線偏光でない場合、または、直線偏光でも偏光方向を液晶リターダの光学軸に対して精密に制御することが難しい場合、液晶リターダにおける光パルスの入力面側に偏光子を設ける。例えば、偏光子は、液晶リターダにおける光パルスの入力面側であって、偏光子を介した直線偏光の光パルスに対して液晶リターダの光学軸が４５度傾くように設定して液晶リターダと一体化する。このように変調部２１２を構成すれば、光源部３１１に対して変調部２１２の位置を精密に制御しなくとも、偏光方向と液晶リターダの光学軸を所望の角度とすることができる。
【００３７】
図２に示す変調分析部３１２の光学部３１２ａは、図５に示す無偏光ビームスプリッタ３１２１、偏光ビームスプリッタ３１２２，３１２４、１／４波長板３１２３を有している。また、受光部３１２ｂは、受光素子３１２５H，３１２５V，３１２５R，３１２５Lを有している。
【００３８】
無偏光ビームスプリッタ３１２１は、ＩＣカード２１からの光パルスの偏光状態を変化させることなく分割する。偏光ビームスプリッタ３１２２は、無偏光ビームスプリッタ３１２１で分割された光パルスの一方を偏光分離する。１／４波長板３１２３は、無偏光ビームスプリッタ３１２１で分割された他方の光パルスの偏光状態を、直線偏光の場合は円偏光に、円偏光の場合は直線偏光に変換する。偏光ビームスプリッタ３１２４は、１／４波長板３１２３により偏光状態が変更された光パルスを偏光分離する。
【００３９】
受光部３１２ｂは、受光素子３１２５H，３１２５V，３１２５R，３１２５Lを有している。受光素子３１２５Hは、偏光ビームスプリッタ３１２２で偏光分離された一方の光パルスの検出を行い、受光素子３１２５Vは、偏光ビームスプリッタ３１２２で偏光分離された他方の光パルスの検出を行う。同様に、受光素子３１２５Rは、偏光ビームスプリッタ３１２４で偏光分離された一方の光パルスの検出を行い、受光素子３１２５Lは、偏光ビームスプリッタ３１２４で偏光分離された他方の光パルスの検出を行う。
【００４０】
＜２−２．ＩＣカードと端末装置の通信動作＞
次に、ＩＣカード２１と端末装置３１間で行われる、量子通信動作と古典通信動作について説明する。
【００４１】
［量子通信動作］
ＢＢ８４プロトコルの量子通信において、ＩＣカード２１の変調部２１２（例えば液晶リターダ）は、光パルスの到来するタイミングに合わせて、ＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差φが、０度、９０度、１８０度、２７０度のいずれかになるように、制御部２１６によってランダムに制御される。
【００４２】
変調部２１２を通過した光パルスの偏光状態は、位相差φが０度の場合は入射した際の直線偏光のままであり、１８０度の場合は入射した直線偏光に直交する直線偏光に変化し、９０度，２７０度の場合は互いに向きが異なる円偏光に変化する。なお、９０度，２７０度の場合が、左円偏光と右円偏光となるか、右円偏光と左円偏光となるかは、配置する液晶リターダの光学軸（ＳＬＯＷ軸、ＦＡＳＴ軸）の向きによって決まる。
【００４３】
図６は、変調部２１２による偏光変調を示している。図６に示すｘ方向の直線偏光を垂直偏光する。また、変調部２１２のＦＡＳＴ軸を、ｘ方向の軸に対して４５度傾いた位置とする。なお、変調部２１２のＦＡＳＴ軸を「Ｆ」、ＳＬＯＷ軸を「Ｓ」として示している。
【００４４】
この場合、変調部２１２のＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸に沿う偏光成分に生じる位相差φを０度とすると、変調部２１２を通過した光パルスは垂直偏光となる。また、位相差φを９０度とした場合は左円偏光、位相差φを１８０度とした場合は水平偏光、位相差φを２７０度とした場合は右円偏光となる。
【００４５】
このように、制御部２１６によって偏光状態が４つの偏光状態のいずれかにランダムに制御された光パルスが端末装置３１に出力される。
【００４６】
端末装置３１は、光源部３１１で光パルスを発生させる。その際、１パルス当たりの光子数は１以下にすることが望ましい（半導体発光素子からの光パルスの強度が強い場合、ＮＤフィルタなどの減光手段を用いることにより、１パルス当たりの光子数を１以下にすることができる）。
【００４７】
光学部３１２ａの無偏光ビームスプリッタ３１２１は、ＩＣカード２１から供給された光パルスを分割する。無偏光ビームスプリッタ３１２１で分割された光パルスの一方は、偏光ビームスプリッタ３１２２に入射されて、その偏光成分によって分割され、受光素子３１２５Hまたは受光素子３１２５Vに入射される。
【００４８】
無偏光ビームスプリッタ３１２１で分割された光パルスの他方は、１／４波長板３１２３を通過して、偏光状態が変化させられた後、偏光ビームスプリッタ３１２４に入射されて、その偏光成分によって分割され、受光素子３１２５Rまたは受光素子３１２５Lに入射される。なお、上述の説明では、光パルスを分割すると記載したが、実際には（ただし、ノイズがないとすれば）、一つの光パルスをすべての受光素子が検出することはない。なぜなら、光パルスの強度は、１パルス当たりの光子数を１以下となるように設定されているので、４つの受光素子のうち、いずれか一つで光子が検出されて電気信号に変換されるからである。
【００４９】
表１は、偏光状態毎の受光素子の光パルス検出確率を示している。なお、表１では１パルス当たりの光子数が「１」、無偏光ビームスプリッタ３１２１の分割比率がｐ：（１−ｐ）（ただし０＜ｐ＜１）、光損失や盗聴がない理想的な場合の値を示している。
【００５０】
【表１】
2012227670.tif 000003
【００５１】
垂直偏光Ｖまたは水平偏光Ｈの光パルスが、受光素子３１２５Hまたは受光素子３１２５Vの方に、無偏光ビームスプリッタ３１２１で振り向けられる場合、その確率は「ｐ」であり、これらは対応する受光素子によってそれぞれ検出される。すなわち、光パルスが垂直偏光Ｖである場合、受光素子３１２５Vで検出される確率は「ｐ」となり、受光素子３１２５Hで検出される確率は「０」となる。また、光パルスが水平偏光Ｈである場合、受光素子３１２５Vで検出される確率は「０」となり、受光素子３１２５Hで検出される確率は「ｐ」となる。
【００５２】
また、垂直偏光Ｖあるいは水平偏光Ｈの光パルスが、受光素子３１２５Lまたは受光素子３１２５Rの方に、無偏光ビームスプリッタ３１２１において振り向けられる場合、その確率は「１−ｐ」である。また、光パルスは、いずれも等しい確率「０．５」で受光素子によって検出されるから、受光素子３１２５L，３１２５Rで検出される確率は、光パルスが垂直偏光Ｖあるいは水平偏光Ｈのいずれであっても「０．５（１−ｐ）」の確率となる。
【００５３】
同様に、光パルスが左円偏光Ｌの場合、光パルスが受光素子３１２５Lで検出される確率は「１−ｐ」、受光素子３１２５Rで検出される確率は「０」となる。また、光パルスが右円偏光Ｒの場合、光パルスが受光素子３１２５Lで検出される確率は「０」、受光素子３１２５Rで検出される確率は「１−ｐ」となる。さらに、光パルスが受光素子３１２５V，３１２５Hで検出される確率は、光パルスが左円偏光Ｌあるいは右円偏光Ｒのいずれであっても「０．５ｐ」の確率となる。ＢＢ８４プロトコルにおける、量子通信を行う部分は、以上の動作を繰り返し行い、受光素子３１２５V，３１２５H，３１２５L，３１２５Rでの受光結果を制御部３１６に出力する。
【００５４】
［古典通信動作］
次に、ＢＢ８４プロトコルにおける量子通信の後に、古典通信が実行される。ＩＣカード２１と端末装置３１は公開通信路（すなわち、通信内容は暗号化されておらず、盗聴者も通信内容をすべて知ることができる）を用いて、以下のプロトコルを実行する。
【００５５】
（１）基底交換
端末装置３１は、公開通信路例えば古典通信路５５を介してＩＣカード２１と通信を行い、量子通信の受信結果のうち、直線偏光を検出したのか、円偏光を検出したのかという情報だけを制御部３１６から通信部３１５とＩＣカード２１の通信部２１５を介して制御部２１６に送信する。例えば、垂直偏光Ｖを検出した場合は、「垂直偏光Ｖを検出した」という情報を送信するのではなく、「直線偏光を検出した」という情報だけを送信する。ＩＣカード２１の制御部２１６は、受信結果においていずれの時刻の受信結果が正しいか検出して検出結果を端末装置３１の制御部３１６に通知する。制御部３１６は、通知された検出結果に基づき正しいデータのみを選択する。すなわち、ＩＣカード２１が直線偏光（垂直偏光Ｖまたは水平偏光Ｈ）の光パルスを送り、端末装置３１が円偏光（左円偏光Ｌまたは右円偏光Ｒ）を検出した場合は、共有秘密情報を生成することができない。また、ＩＣカード２１が円偏光（ＬまたはＲ）の光パルスを送り、端末装置３１が直線偏光（ＶまたはＨ）を検出した場合も、共有秘密情報を生成することができない。したがって、これらのデータは捨てる。また、残ったデータから、例えば、直線偏光の場合、垂直偏光Ｖを「０」、水平偏光Ｈを「１」とし、円偏光の場合、左円偏光Ｌを「０」、右円偏光Ｒを「１」とすれば、ＩＣカードと端末装置で相関のあるランダムなビット列を共有できる。このランダムなビット列を元にして、ＩＣカード２１と端末装置３１で共通鍵を生成する。
【００５６】
また、逆にＩＣカード２１が「直線偏光を送信したのか、円偏光を送信したのか」という情報だけを制御部２１６から通信部２１５と端末装置３１の通信部３１５を介して制御部３１６に送信し、端末装置３１の制御部３１６は、通知された基底に基づき正しいデータのみを選択することにしてもよい。
【００５７】
しかしながら、ＩＣカード２１と端末装置３１で共有したビット列には量子通信路５１に起因する誤りや送受信時に生じた誤りが含まれている場合がある。また、量子通信路５１の途中に存在する盗聴者が光子情報を覗き見た場合にも共有ビット列に誤りが発生する。したがって、エラーレートの見積もりやエラー訂正、プライバシー増幅(Privacy Amplification)を行う。
【００５８】
（２）エラーレートの見積もり
エラーレートの見積もりでは、基底交換で得られたビット列の中から、ＩＣカード２１が直線偏光（ＶまたはＨ）の光パルスを送り、端末装置３１が直線偏光（ＶまたはＨ）を検出した場合と、ＩＣカード２１が円偏光（ＬまたはＲ）の光パルスを送り、端末装置３１が円偏光（ＬまたはＲ）を検出した場合とから、それぞれ、半分程度のデータをランダムに選び出す。さらに、ランダムに選び出されたデータの値を照合し、エラーレートを見積もる。なお、エラーレートの見積もりに用いたデータは、ビット列から削除する。
【００５９】
（３）エラー訂正
エラー訂正では、エラーレートの見積もりに用いたデータが除かれたビット列に対してエラー訂正を行う。例えば、エラー訂正では、ビット列を複数のブロックに分割して、各ブロックのパリティを照合することによって誤りを含むブロックを特定し、当該ブロックに関してハミング符号等を適用して誤り訂正を行う。
【００６０】
（４）プライバシー増幅
プライバシー増幅では、エラー訂正後のビット列に対して、見積もったエラーレートに応じてプライバシー増幅を行う。このとき、エラーは、盗聴者が存在しなくても、ＩＣカード２１、端末装置３１、あるいは量子通信路中の雑音の影響により発生する可能性があるが、安全性を高めるために、すべてのエラーの起源は盗聴に伴うものであると考える。つまり、盗聴によりエラーが生じたとみなして、盗聴者に漏れた情報量を、エラーレートから推定して、その情報量分だけビット列を短くするような変換を行って、その短くしたビット列に関しては、盗聴者の情報量が無視できるようにする。
【００６１】
このような処理を行うと、例えばエラーレートが小さい（例えばＢＢ８４の場合は約１１％以下なら）と１より長いビット列が得られる。得られたビット列は、共通鍵としてＩＣカード２１のメモリ部２１３および端末装置３１のメモリ部３１３に保存する。エラーレートが大きく、ビット列の長さが０になってしまう場合は、鍵配布は失敗したことになる。
【００６２】
なお、上述の説明では、理解を容易とするために、量子通信の部分と、古典通信の部分を順番に行うように説明した。しかし、実際には、量子通信の部分を継続的に実行し、ある程度のデータが蓄積されたところで、間欠的に随時、古典通信の部分を行うようにすることが望ましい。なぜなら、単位時間当たりに得られる共通鍵の量が多くなるからである。
【００６３】
ＩＣカード２１と端末装置３１に蓄えられた共通鍵は、通信の暗号化が必要な際に随時使用される。例えば、共通鍵暗号方式を用いて暗号通信を行う際に、一つの共通鍵を用いて暗号化する情報の量を予め決めておく。ここで、通信量がその設定された通信量を超えたら、ＩＣカード２１と端末装置３１が同時に、それぞれのメモリ部から共通鍵を取り出し、共通鍵暗号に用いる鍵を更新する。あるいは、通信量がほぼ一定で、大きく変動しないのであれば、予め定められた時間間隔毎に、ＩＣカード２１と端末装置３１が同時に、それぞれのメモリ部から共通鍵を取り出し、共通鍵暗号方式に用いる鍵を更新する。
【００６４】
このように、ＩＣカード２１と端末装置３１を構成して、端末装置３１の光源部３１１から出力された光パルスを、ＩＣカード２１の変調部２１２で変調する。また、変調後の光パルスの変調状態を端末装置３１の変調分析部３１２で解析して、量子暗号通信を行うことができるようになる。また、量子暗号通信を行うことができることから安全に共通鍵を生成して利用することが可能となり、共通鍵暗号方式に用いた通信を安全に行うことができる。
【００６５】
＜２−３．第１の実施の形態におけるＩＣカードと端末装置の第２の構造例＞
図７は、第１の実施の形態におけるＩＣカードの第２の構造例を示している。なお、図７の（Ａ）はＩＣカードの斜視図、図７の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩＣカードのＩ−Ｉ位置における断面概略図を示している。ＩＣカード２１は、第１の構造例と同様に、メモリ部等が設けられている基板２５が、外装シート２６で挟み込まれた構成とされている。外装シート２６には変調部２１２を取り付ける取付け部が形成されている。取付け部は、貫通孔であってもよく、凹状の穴であってもよい。
【００６６】
変調部２１２における光パルスの入力面の反対面には、反射部２３１が設けられる。したがって、変調部２１２の入力面に入力された光パルスは、反射部２３１によって反射されて入力面から出力される。また、入力面から出力される光パルスは、変調部２１２によって変調された光パルスとなる。
【００６７】
図８は、第１の実施の形態における端末装置の第２の構造例を示している。端末装置３１では、光源部３１１と変調分析部３１２が、ＩＣカード２１における変調部２１２の入力面側に設けられている。光源部３１１は、出力した光パルスが変調部２１２の入力面に入力されるにように設定されている。また、変調分析部３１２は、ＩＣカード２１の反射部２３１によって反射されて変調部２１２の入力面から出力された光パルスが入力されるにように設定されている。なお、光源部３１１と変調部２１２との間に偏光子４０１を設けるようにしてもよい。
【００６８】
このように、ＩＣカード２１と端末装置３１を構成して、端末装置３１の光源部３１１から出力された光パルスを、ＩＣカード２１の変調部２１２で変調して、変調後の光パルスの変調状態を端末装置３１の変調分析部３１２で解析する。このような第２の構造例でも、第１の構造例と同様に、量子暗号通信を行うことができることから安全に共通鍵を生成して利用することが可能となり、共通鍵暗号方式に用いた通信を安全に行うことができる。また、端末装置３１の光源部３１１と変調分析部３１２が、ＩＣカード２１の一方の面に設けられるので、第１の構造例に比べて端末装置３１の薄型化が可能となる。
【００６９】
＜２−４．第１の実施の形態におけるＩＣカードと端末装置の第３の構造例＞
図９は、第１の実施の形態におけるＩＣカードの第３の構造例を示している。なお、図９の（Ａ）はＩＣカードの斜視図、図９の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩＣカードのＩ−Ｉ位置における断面概略図を示している。
【００７０】
ＩＣカード２１は、第１の構造例と同様に、メモリ部等が設けられている基板２５を外装シート２６で挟み込んだ構成とされている。また、外装シート２６の間には、変調部２１２が設けられており、変調部２１２の入力面側と出力面側には導波路２３２、２３３が設けられている。導波路２３２の一端は、変調部２１２の入力面（または出力面側）とされており、他端はＩＣカード２１の端面の位置とされている。導波路２３３の一端は、変調部２１２の出力面（または入力面側）とされており、他端はＩＣカード２１の端面の位置とされている。
【００７１】
変調部２１２は、偏光変調を行う液晶リターダに限らず、位相変調を行う変調器を用いてもよい。位相変調器としては、例えば電気光学（EO）ポリマーを用いた電気光学変調器を用いることができる。
【００７２】
図１０は、第１の実施の形態における端末装置の第３の構造例を示している。端末装置３１では、光源部３１１と変調分析部３１２は対向して設けられている。光源部３１１は、ＩＣカード２１の端面側に設けられており、光源部３１１から出力された光パルスがＩＣカード２１の端面から導波路２３２を介して変調部２１２に入力される。また、変調分析部３１２は、ＩＣカード２１の他方の端面側に設けられており、変調部２１２で変調されて導波路２３２を介して出力される光が入力される。
【００７３】
なお、光源部３１１と変調部２１２との間に偏光子４０１を設けるようにしてもよい。また、ＩＣカード２１の端面から光パルスを入力するため、レンズ４０２を用いて集光して光パルスの入力を行うようにしてもよい。また、ＩＣカード２１の端面から光パルスが出力されるため、レンズ４０３を用いて光パルスを変調分析部３１２に供給するようにしてもよい。
【００７４】
図１１は、ＩＣカード２１の変調部２１２として位相変調器が用いられた場合の端末装置の第３の構造例を示している。光パルスの位相変調を行う場合、端末装置は例えばＭＺ（Mach-Zehnder）干渉計の原理を利用して変調分析を行う。
【００７５】
端末装置３１では、光源部３１１と変調分析部３１２は対向して設けられている。光源部３１１は、ＩＣカード２１の端面側に設けられており、光源部３１１から出力された光パルスがＩＣカード２１の端面から導波路２３２を介して変調部２１２に入力される。また、変調分析部３１２は、ＩＣカード２１の他方の端面側に設けられており、変調部２１２で変調されて導波路２３２を介して出力される光が入力される。さらに、端末装置３１にはビームスプリッタ３１８とミラー３１９が設けられている。ビームスプリッタ３１８は、光源部３１１からＩＣカード２１の端面に出力される光パルスを分割して、分割した光パルスをミラー３１９に出力する。ミラー３１９は、ビームスプリッタ３１８で分割された光パルスが変調分析部３１２に入力されるように、光パルスの光路を変更する。
【００７６】
なお、光源部３１１と変調部２１２との間に偏光子４０１を設けるようにしてもよい。また、ＩＣカード２１の端面から光パルスを入力するため、レンズ４０２を用いて集光して光パルスの入力を行うようにしてもよい。また、ＩＣカード２１の端面から光パルスが出力されるため、レンズ４０３を用いて光パルスを変調分析部３１２に供給するようにしてもよい。
【００７７】
図１２は、位相変調を用いた場合の変調分析部３１２の構成を示している。変調分析部３１２の光学部３１２ａは、ミラー３１２６とビームスプリッタ３１２８を有している。また、光学部３１２ａに位相変調器３１２７を設ける。
【００７８】
ミラー３１２６は、ＩＣカード２１からの光パルスがビームスプリッタ３１２８に入力されるように、光パルスの光路を変更する。位相変調器３１２７は、ミラー３１９で光路が変更された光パルスの位相変調を行って、ビームスプリッタ３１２８に出力する。ビームスプリッタ３１２８は、ミラー３１２６によって光路が変更された光パルスと、位相変調器３１２７から出力された光パルスを分割して、受光部３１２ｂの受光素子３１２９ａ，３１２９ｂに出力する。
【００７９】
受光素子３１２９ａ，３１２９ｂは、ビームスプリッタ３１２８で分離された光パルスの検出を行う。
【００８０】
このように、ＩＣカード２１と端末装置３１を構成して、端末装置３１の光源部３１１から出力された光パルスを、ＩＣカード２１の変調部２１２で変調して、変調後の光パルスの変調状態を端末装置３１の変調分析部３１２で解析する。このような第３の構造例でも、第１および第２の構造例と同様に、量子暗号通信を行うことができることから安全に共通鍵を生成して利用することが可能となり、共通鍵暗号方式に用いた通信を安全に行うことができる。また、第１および第２の構造例のようにＩＣカード２１の表面を使用しなくとも、量子暗号通信を行うことが可能となる。
【００８１】
［位相変調を用いた場合の量子通信動作］
位相変調を用いた場合、ＩＣカード２１の変調部２１２は、制御部２１６からの制御信号に基づき、予め設定されている複数の位相シフト量、例えば「０、π／２、π、３π／２」からランダムに位相シフト量を選択して、光パルスの位相変調を行う。
【００８２】
変調分析部３１２の位相変調器３１２７は、制御部３１６からの制御信号に基づき、ＩＣカード２１の変調部２１２の位相シフト量に対応させて予め設定されている複数の位相シフト量、例えば「０、π／２」からランダムに位相シフト量を選択して、光パルスの位相変調を行う。
【００８３】
受光素子３１２９ａ，３１２９ｂは、ビームスプリッタ３１２８で分離された光パルスを受光する。ここで、光パルス中には光子が１個以下とされているので、光パルスは、受光素子３１２９ａと受光素子３１２９ｂの何れかで受光されることになる。
【００８４】
表２は、変調部２１２の位相シフト量と変調分析部３１２の位相シフト量と光パルスが受光される受光素子の関係を示している。変調部２１２の位相シフト量と変調分析部３１２の位相シフト量が等しい場合には受光素子３１２９ａ、変調部２１２の位相シフト量と変調分析部３１２の位相シフト量が「π」である場合には受光素子３１２９ｂで光パルスが検出されて、他の場合すなわち「＊」印の組み合わせでは、受光素子３１２９ａ，３１２９ｂにおいて等確率で光パルスが検出されることが知られている。
【００８５】
【表２】
2012227670.tif 000004
【００８６】
ここで、ＩＣカード２１で（ａ）｛０，π｝、（ｂ）｛π／２，３π／２｝のうち、（ａ）（ｂ）の何れを用いたか、および端末装置３１で（ａ’）｛０｝、（ｂ’）｛π／２｝の何れを用いたかという情報を相互に照合して、表２における「＊」の組み合わせ、すなわち（ａ）−（ｂ’）、（ｂ）−（ａ’）の組み合わせを除外する。
【００８７】
端末装置３１は、変調分析部３１２で受光素子３１２９ａが光パルスを検出した場合は「０」、受光素子３１２９ｂが光パルスを検出した場合は「１」とする。ＩＣカード２１は、（ａ）−（ａ’）の場合において変調部２１２の位相シフト量が「０」なら「０」、「π」なら「１」、（ｂ）−（ｂ’）の場合において変調部２１２の位相シフト量が「π／２」なら「０」、「３π／２」なら「１」とする。このようにして、ＩＣカード２１と端末装置３１は、共有秘密情報を生成できる。
【００８８】
＜２−５．第１の実施の形態におけるＩＣカードと端末装置の第４の構造例＞
図１３は、第１の実施の形態におけるＩＣカードの第４の構造例を示している。なお、図１３の（Ａ）はＩＣカードの斜視図、図１３の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩＣカードのＩ−Ｉ位置における断面概略図を示している。
【００８９】
ＩＣカード２１は、第１の構造例と同様に、メモリ部等が設けられている基板２５が、外装シート２６で挟み込まれた構成とされている。第４の構造例におけるＩＣカード２１では、変調部２１２としては、偏光変調器または位相変調器が設けられている。
【００９０】
外装シート２６には光パルスを入力ための窓２３７が形成されており、窓２３７における光パルスの入力面の反対面側には、光路を曲げる光路変換部２３４が設けられている。窓２３７は，光パルスの波長に対して透明なガラスやプラスチックなどの材料により作られる。
【００９１】
光路変換部２３４は、ミラーまたはホログラム等を用いて構成されている。光路変換部２３４は、窓２３７を通過した光パルスの光路を曲げて、導波路２３２を介して変調部２１２に入力させる。変調部２１２で変調された光パルスは、導波路２３３を介してＩＣカード２１の端面から出力される。
【００９２】
図１４は、第１の実施の形態における端末装置の第４の構造例を示している。端末装置３１では、ＩＣカード２１における窓２３７における光パルスの入力面側に光源部３１１が設けられている。また、変調分析部３１２は、ＩＣカード２１の端面から出力される光パルスが入力されるように設けられている。
【００９３】
なお、光源部３１１と窓２３７との間に偏光子４０１を設けるようにしてもよい。また、レンズ４０２を用いて光パルスを集光して窓２３７に入力するようにしてもよい。また、ＩＣカード２１の端面から光パルスが出力されるため、レンズ４０３を用いて光パルスを変調分析部３１２に供給するようにしてもよい。
【００９４】
図１５は、ＩＣカード２１の変調部２１２として位相変調器が用いられた場合の端末装置の第４の構造例を示している。光パルスの位相変調を行う場合、端末装置は例えばＭＺ（Mach-Zehnder）干渉計の原理を利用して変調分析を行う。
【００９５】
端末装置３１では、ＩＣカード２１における窓２３７が形成された光パルスの入力面側に光源部３１１が設けられている。また、変調分析部３１２は、ＩＣカード２１の変調部２１２で変調されて導波路２３２を介して端面から出力される光パルスが入力されるように設けられている。さらに、端末装置３１にはビームスプリッタ３１８が設けられている。ビームスプリッタ３１８は、光源部３１１からＩＣカード２１における窓２３７に対して出力される光パルスを分割して、分割した光パルスを変調分析部３１２に入力するよう出力する。
【００９６】
なお、ＩＣカード２１の窓２３７から光パルスを入力するため、レンズ４０２を用いて集光して光パルスの入力を行うようにしてもよい。また、ＩＣカード２１の端面から光パルスが出力されるため、レンズ４０３を用いて光パルスを変調分析部３１２に供給するようにしてもよい。
【００９７】
このように、ＩＣカード２１と端末装置３１を構成して、端末装置３１の光源部３１１から出力された光パルスを、ＩＣカード２１の変調部２１２で変調して、変調後の光パルスの変調状態を端末装置３１の変調分析部３１２で解析する。このような第４の構造例でも、第１〜第３の構造例と同様に、量子暗号通信を行うことができることから安全に共通鍵を生成して利用することが可能となり、共通鍵暗号方式に用いた通信を安全に行うことができる。また、変調部２１２として偏光変調器または位相変調器を用いて光パルスの変調を行うことができる。
【００９８】
＜３．第２の実施の形態の全体構成＞
次に、第２の実施の形態として、ＩＣカードに光源部を設けて、この光源部から出力された光パルスを変調して出力することで量子暗号通信を行う場合について説明する。図１６は、第２の実施の形態の全体構成を示す図である。ＩＣカード２１と端末装置３１は、第１の実施の形態と同様に、量子通信路５１と古典通信路５５を介して接続される。
【００９９】
ＩＣカード２１は、光源部２１１、変調部２１２、メモリ部２１３、暗号化／復号化部２１４、通信部２１５、制御部２１６を有している。
【０１００】
光源部２１１は、レーザダイオードやＬＥＤなどの半導体発光素子を用いて構成されている。光源部２１１は、半導体発光素子から出射された光パルスを変調部２１２に出力する。また、光源部２１１は、制御部２１６によって光パルスの出力制御が行われる。なお、光源部２１１には、半導体発光素子から出射された光パルスをコリメートするレンズ等を設けてもよい。
【０１０１】
変調部２１２は、光源部２１１から出力された光パルスの例えば偏光状態を、予め設定した複数の偏光基底のいずれかに切り替える。変調部２１２は、可変波長板例えば液晶リターダ等を用いて構成されている。変調部２１２は、制御部２１６からの制御信号に基づいて偏光変調を行い、端末装置３１から出力された光パルスの偏光状態を、制御信号に基づき予め設定した複数の偏光基底のいずれかに高速に切り替えて、量子通信路５１を介して端末装置３１に出力する。
【０１０２】
メモリ部２１３は、制御部２１６で生成された共通鍵ＫＹcや種々の情報を記憶する。また、暗号化／復号化部２１４は、メモリ部２１３に記憶されている共通鍵ＫＹcを用いて、メモリ部２１３に記憶されている情報ＤＶaの暗号化や、暗号化されている情報ＤＶaeの復号化を行う。
【０１０３】
通信部２１５は、暗号を用いない情報ＤＶbや暗号化／復号化部２１４で暗号化された情報ＤＶaeを、古典通信路５５を介して端末装置３１に送信する。また、通信部２１５は古典通信路５５を介して端末装置３１から送信された情報を受信する。通信部２１５は、受信した情報が暗号化されていない場合、受信した情報を例えばメモリ部２１３に記憶させる。また、通信部２１５は、受信した情報が暗号化されている場合、受信した情報ＤＶaeを暗号化／復号化部２１４に供給する。したがって、復号化がなされた情報ＤＶaが暗号化／復号化部２１４からメモリ部２１３に供給されて記憶される。
【０１０４】
制御部２１６は、量子暗号通信を行うために、光源部２１１からの光パルスの出力や出力された光パルスに対して変調部２１２で行う偏光変調の制御を行う。また、制御部２１６は、通信部２１５や古典通信路５５を介して端末装置３１と通信を行い、量子暗号通信の通信結果から共通鍵を生成する処理、情報の通信制御や共通鍵を用いた暗号化や復号化の制御等を行う。
【０１０５】
端末装置３１は、光源部３１１、変調分析部３１２、メモリ部３１３、暗号化／復号化部３１４、通信部３１５、制御部３１６を有している。
【０１０６】
変調分析部３１２は、光学部３１２ａと受光部３１２ｂを有している。光学部３１２ａは、ＩＣカード２１から量子通信路５１を介して供給された偏光変調後の光パルスを、偏光基底毎に振り分ける。受光部３１２ｂは、偏光基底毎に振り分けられた光パルスを偏光基底毎に検出して、検出結果を制御部３１６に出力する。
【０１０７】
メモリ部３１３は、制御部３１６で受光部３１２ｂからの検出結果に基づいて生成された共通鍵ＫＹcを記憶する。また、暗号化／復号化部３１４は、メモリ部３１３に記憶されている共通鍵ＫＹcを用いて、暗号を用いる情報ＤＶaの暗号化や、暗号化されている情報ＤＶaeの復号化を行う。
【０１０８】
通信部３１５は、暗号を用いない情報ＤＶbや暗号化／復号化部３１４で暗号化された情報ＤＶaeを、古典通信路５５を介してＩＣカード２１に送信する。また、通信部３１５は古典通信路５５を介してＩＣカード２１から送信された情報を受信する。通信部３１５は、受信した情報が暗号化されていない場合、受信した情報ＤＶbを信号処理部（図示せず）に供給する。また、通信部３１５は、受信した情報が暗号化されている場合、受信した情報ＤＶaeを暗号化／復号化部３１４に供給する。したがって、復号化がなされた情報ＤＶaが暗号化／復号化部３１４から信号処理部に供給される。
【０１０９】
制御部３１６は、受光部３１２ｂの検出結果を用いて、通信部３１５や古典通信路５５を介してＩＣカード２１と通信を行い、量子暗号通信の通信結果から共通鍵を生成する処理、情報の通信制御や共通鍵を用いた暗号化や復号化の制御等を行う。
【０１１０】
＜３−１．第２の実施の形態におけるＩＣカードと端末装置の第１の構造例＞
図１７は、第２の実施の形態におけるＩＣカードの第１の構造例を示している。なお、図１７の（Ａ）はＩＣカードの斜視図、図１７の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩＣカードのＩ−Ｉ位置における断面概略図を示している。
【０１１１】
ＩＣカード２１は、メモリ部２１３、暗号化／復号化部２１４、通信部２１５および制御部２１６が設けられている基板２５を、外装シート２６で挟み込んだ構成とされている。さらに、外装シート２６によって、光源部２１１と変調部２１２が挟み込まれている。光源部２１１と変調部２１２との間には導波路２３５が形成されている。また、変調部２１２とＩＣカード２１の端面まで導波路２３６が形成されている。光源部２１１は、エッジエミッション型の発光素子を用いて構成されている。光源部２１１は、導波路２３５を介して変調部２１２に光パルスを供給する。変調部２１２は、光源部２１１から供給された光パルスを変調して、変調後の光パルスを、導波路２３６を介してＩＣカード２１の端面から出力する。
【０１１２】
図１８は、第２の実施の形態における端末装置の第１の構造例を示している。端末装置３１では、光パルスの出力が行われるＩＣカード２１の端面と対向して変調分析部３１２が設けられており、ＩＣカード２１の端面から出力される光パルスが入力される。なお、ＩＣカード２１の端面から光パルスが出力されるため、上述のように、レンズ４０３を用いて光パルスを変調分析部３１２に供給するようにしてもよい。
【０１１３】
このように、ＩＣカード２１と端末装置３１を構成して、ＩＣカード２１の光源部２１１から出力された光パルスを変調部２１２で変調して端末装置３１に供給する。また、端末装置３１は、変調後の光パルスの変調状態を変調分析部３１２で解析して量子暗号通信を行うことができるようになる。また、量子暗号通信を行うことができることから安全に共通鍵を生成して利用することが可能となり、共通鍵暗号方式に用いた通信を安全に行うことができる。
【０１１４】
＜３−２．第２の実施の形態におけるＩＣカードと端末装置の第２の構造例＞
図１９は、第２の実施の形態におけるＩＣカードの第２の構造例を示している。なお、図１９の（Ａ）はＩＣカードの斜視図、図１９の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩＣカードのＩ−Ｉ位置における断面概略図を示している。
【０１１５】
ＩＣカード２１は、第１の構造例と同様に、メモリ部２１３等が設けられている基板２５と光源部２１１が、外装シート２６で挟み込まれた構成とされている。外装シート２６には、変調部２１２を取り付ける取付け部が形成されており、取付け部に変調部２１２が取り付けられる。変調部２１２における光パルスの入力面には、光路を曲げる光路変換部２３４が設けられている。また、光源部２１１と光路変換部２３４との間には、導波路２３５が形成されている。光源部２１１は、導波路２３５を介して光パルスを光路変換部２３４に供給する。光路変換部２３４は、光パルスの光路を曲げて変調部２１２に供給する。変調部２１２は、光路変換部２３４から供給された光パルスを変調して、例えばＩＣカード２１の表面に対して鉛直方向に出力する。
【０１１６】
図２０は、第２の実施の形態における端末装置の第２の構造例を示している。端末装置３１の変調分析部３１２は、ＩＣカード２１の表面と対向して設けられており、ＩＣカード２１の変調部２１２から出力される光パルスが入力される。なお、ＩＣカード２１の例えば表面から出力される光パルスを、レンズ４０３を用いて変調分析部３１２に供給するようにしてもよい。
【０１１７】
このように、ＩＣカード２１と端末装置３１を構成して、第１の構造例と同様に、ＩＣカード２１の光源部２１１から出力された光パルスを変調部２１２で変調して端末装置３１に供給する。また、端末装置３１は、変調後の光パルスの変調状態を変調分析部３１２で解析して量子暗号通信を行うことができるようになる。また、量子暗号通信を行うことができることから安全に共通鍵を生成して利用することが可能となり、共通鍵暗号方式に用いた通信を安全に行うことができる。
【０１１８】
＜３−３．第２の実施の形態におけるＩＣカードと端末装置の第３の構造例＞
図２１は、第２の実施の形態におけるＩＣカードの第３の構造例を示している。なお、図２１の（Ａ）はＩＣカードの斜視図、図２１の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩＣカードのＩ−Ｉ位置における断面概略図を示している。
【０１１９】
ＩＣカード２１は、メモリ部等が設けられている基板２５が外装シート２６で挟み込まれた構成とされている。また、光源部２１１と変調部２１２が積層されて、ＩＣカード２１に設けられている。
【０１２０】
光源部２１１は、面発光型の発光素子例えば面発光レーザや面発光ＬＥＤ等を用いて構成されている。変調部２１２は、光源部２１１から出力された光パルスを変調して、例えばＩＣカード２１の表面に対して鉛直方向に出力する。なお、光源部２１１と変調部２１２との間には偏光子４０１を設けて、偏光方向と変調部２１２の光学軸を所望の角度とする構成としてもよい。
【０１２１】
第２の実施の形態における端末装置３１の第３の構造は、図２０に示す第２の構造と同様とされており、端末装置３１の変調分析部３１２は、ＩＣカード２１の表面と対向して設けられており、ＩＣカード２１の変調部２１２から出力される光パルスが入力される。
【０１２２】
このように、ＩＣカード２１と端末装置３１を構成して、第１および第２の構造例と同様に、ＩＣカード２１の光源部２１１から出力された光パルスを変調部２１２で変調して端末装置３１に供給する。また、端末装置３１は、変調後の光パルスの変調状態を変調分析部３１２で解析して量子暗号通信を行うことができるようになる。また、量子暗号通信を行うことができることから安全に共通鍵を生成して利用することが可能となり、共通鍵暗号方式に用いた通信を安全に行うことができる。
【０１２３】
上述の実施の形態では、光源部を端末装置に設けた場合とＩＣカードに設けた場合について幾つかの構造例を示したが、本技術は上述した実施の形態に限定して解釈されるべきではない。実施の形態は、例示という形態で本技術を開示しており、本技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が実施の形態の修正や代用をなし得ることは自明である。すなわち、本技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【０１２４】
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）  光パルスを変調して量子通信路に出力する変調部と、
古典通信路を介して古典通信を行う通信部と、
前記光パルスの変調状態を切り替えて量子通信を行い、該量子通信の通信結果に応じた情報の前記古典通信に基づいて共通鍵を生成する制御部と
を備えるＩＣカード。
（２）  前記変調部は、端末装置から出力された前記光パルスの変調を行う（１）記載のＩＣカード。
（３）  前記変調部は、カードの一方の面から入力された光パルスを変調して他方の面から出力する（２）記載のＩＣカード。
（４）  前記光パルスを反射する反射部を備え、
前記変調部から出力された光パルスを反射して前記変調部に戻し、
前記変調部は、カードの一方の面から入力された光パルスを変調して、前記一方の面から出力する（２）記載のＩＣカード。
（５）  カード端部から前記変調部に光パルスを入力するための第１の導波路と、
前記変調部で変調された光パルスをカード端部から出力する第２の導波路を有する（２）記載のＩＣカード。
（６）  カードの一方の面から入力された光パルスの光路を曲げて導波路を介してカード端部から出力させる光路変換部を備え、
前記光パルスの光路の途中に前記変調部を設けた（２）記載のＩＣカード。
（７）  光パルスを生成する光源部をさらに備え、
前記変調部は、前記光源部で生成された前記光パルスの変調を行う（１）記載のＩＣカード。
（８）  前記光源部から前記変調部に光パルスを入力するための第１の導波路と、
前記変調部で変調された光パルスをカード端部から出力する第２の導波路を有する（７）記載のＩＣカード。
（９）  カード面方向に形成されている導波路を介して前記光源部から供給される光パルスの光路を曲げて、カードの一方の面から出力させる光路変換部を備え、
前記光パルスの光路の途中に前記変調部を設けた（７）記載のＩＣカード。
（１０）  前記光源部と前記変調部を積層構造として、
前記光源部で生成された前記光パルスを前記変調部で変調して、カードの一方の面から出力させる（７）記載のＩＣカード。
（１１）  前記変調部は、前記光パルスの偏光変調または位相変調を行う（１）乃至（１０）の何れかに記載のＩＣカード。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
この技術のＩＣカードでは、ＩＣカードに、光パルスを変調して出力する変調部と、光パルスの変調状態を予め設定した複数の変調状態のいずれかにランダムに切り替える制御部とが設けられて、端末装置との間で量子暗号通信が可能とされる。したがって、量子暗号通信により簡単かつ低コストで安全に共通鍵を生成できるため、ＩＣカードを使用する種々のシステムで、安全性を高めることができる。
【符号の説明】
【０１２６】
１０・・・ＩＣカードを用いたシステム、１１・・・センター、２１・・・ＩＣカード、３１，３２・・・端末装置、３２-1・・・ＡＴＭ、３２-2・・・入退室管理端末、３２-3・・・コンピュータ装置、５１・・・量子通信路、５５・・・古典通信路、２１１，３１１・・・光源部、２１２・・・変調部、２１３，３１３・・・メモリ部、２１４，３１４・・・暗号化／復号化部、２１５，３１５・・・通信部、２１６，３１６・・・制御部、２３１・・・反射部、２３２，２３３、２３５，２３６・・・導波路、２３４・・・光路変換部、２３７・・・窓、３１１・・・光源部、３１２・・・変調分析部、３１２ａ・・・光学部、３１２ｂ・・・ 受光部、３１８，３１２８・・・ビームスプリッタ、３１９，３１２６・・・ミラー、４０１・・・偏光子、４０２，４０３・・・レンズ、３１２１・・・無偏光ビームスプリッタ、３１２２，３１２４・・・偏光ビームスプリッタ、３１２３・・・１／４波長板、３１２５H ，３１２５V，３１２５R，３１２５L，３１２９ａ，３１２９ｂ・・・受光素子、３１２７・・・位相変調器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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