(57)【要約】【課題】  光子検出器の特性に依らず、首尾一貫した安全性証明が可能な受信装置を提供する。【解決手段】  送信装置から伝送された伝送信号光を受信する量子暗号鍵配付システムの量子暗号鍵受信装置において、リファレンス光を発生する、あらかじめ特性が校正されたリファレンス光源と、前記伝送信号光を前記リファレンス光の量子状態と比較することにより、該伝送信号光の量子状態を測定する量子状態測定手段と、を有する。【選択図】  図１
2013201523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信装置から伝送された伝送信号光を受信する量子暗号鍵配付システムの量子暗号鍵受信装置において、
リファレンス光を発生する、あらかじめ特性が校正されたリファレンス光源と、
前記伝送信号光を前記リファレンス光の量子状態と比較することにより、該伝送信号光の量子状態を測定する量子状態測定手段と、
を有することを特徴とする量子暗号鍵受信装置。
【請求項２】
請求項１記載の量子暗号鍵受信装置において、
前記量子測定手段が、
乱数を発生する乱数発生器と、
前記リファレンス光を、前記乱数発生器が発生した乱数に応じて量子力学的に相補的な２状態のいずれかに変換するエンコーダーと、
前記伝送信号光と、前記エンコーダー出力とを入力し、これらの量子もつれを制御することにより協同的量子状態変数を測定する測定回路と、からなることを特徴とする量子暗号鍵受信装置。
【請求項３】
請求項１記載の量子暗号鍵受信装置において、
前記量子測定手段が、
乱数を発生する乱数発生器と、
前記伝送信号光を、前記乱数発生器が発生した乱数に応じて量子力学的に相補的な２状態のいずれかに変換するエンコーダーと、
前記リファレンス光と、前記エンコーダー出力とを入力し、これらの量子もつれを制御することにより協同的量子状態変数を測定する測定回路と、からなることを特徴とする量子暗号鍵受信装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の量子暗号鍵受信装置において、
前記測定回路がベル状態測定回路であることを特徴とする量子暗号鍵受信装置。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の量子暗号鍵受信装置において、
前記測定回路により測定された協同的量子状態変数と、前記乱数発生器出力と、前記伝送信号光を送信した送信者からアナウンスされた基底変調データと、から安全鍵を抽出する鍵データ分析装置を有することを特徴とする量子暗号鍵受信装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の量子暗号鍵受信装置において、
リファレンス光源が単一光子光源であることを特徴とする量子暗号鍵受信装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の量子暗号鍵受信装置において、
リファレンス光源がコヒーレント光源であることを特徴とする量子暗号鍵受信装置。
【請求項８】
請求項７記載の量子暗号鍵受信装置において、
コヒーレント光源が時間的に強度が変動するコヒーレント光源であることを特徴とする量子暗号鍵受信装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の量子暗号鍵受信装置を用いることを特徴と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、量子暗号鍵配付システムとその量子暗号鍵受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの爆発的普及、電子商取引の実用化を迎え、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的なニーズが高まっており、光通信技術を用いて遠隔地間で乱数からなる安全な秘密鍵を共有する技術である、量子暗号鍵配付技術が注目されている。
【０００３】
図８は一般的な量子暗号鍵配付システムを、盗聴装置を含めて図示したブロック図である。
【０００４】
図８に示す量子暗号鍵配付システムにおいては、送信装置６１は光子を発生する光源６２、２ビットの乱数発生器６３、およびこれに基づき鍵データ及び変調基底状態を光子の状態にコーディングするエンコーダー６４からなる。
【０００５】
一方、受信装置６８は１ビットの乱数発生器６９、およびこれに基づき観測基底状態を光子に変調するデコーダー６Ａ、鍵データとなる信号を生成する光子検出器６Ｂからなる。送信装置６１と受信装置６８は光伝送路６６によって結ばれている。盗聴装置６７は光伝送路６６の途中に挿入され、光伝送路６６、および、これにより伝搬されるあらゆる信号に自由にアクセスできる。
【０００６】
安全性が証明可能であるという現代暗号にない特徴を量子暗号鍵配付プロトコルは持つが、その安全性の証明においては、送受信装置が信頼でき、鍵データやエンコード／デコード基底情報を漏洩する、あるいはこれらを外部から制御するサイドチャンネルがないことが、アプリオリに仮定される。しかるに、量子暗号鍵配付装置は、鍵伝送のための伝送路を有するため、伝送路への入出力チャンネルが必然的に存在する。この伝送路への入出力チャンネルはセキュリティ上のリスクになり得る。
【０００７】
問題となるのは、この伝送路を経由するサイドチャンネルがあり得ることであり、送信側では鍵データやエンコード／デコード基底情報を漏洩するサイドチャンネル６５が、受信側ではこれらを外部から制御するサイドチャンネル６Ｃがセキュリティ上、重要な問題となる。
【０００８】
理論的モデルでは理想的な構成要素デバイスを仮定するのに対して、現実に用いられるデバイスは理想とは異なる様々な特性を持ち、セキュリティ上の脆弱性の要因となる。このような脆弱性を突いた量子暗号鍵配付装置の量子ハッキングが提案されている。
【０００９】
量子ハッキングに利用される送信側サイドチャンネルとしては、光源の非理想性により情報のキャリアとなる光子パルスの状態空間が拡大されることによって生じるものが知られている。スタンダードな安全性証明においては、光源は単一光子のみを生成すると仮定されている。
【００１０】
しかしながら、現実の量子暗号鍵配付装置では、微弱レーザー光源や疑似単一光子光源が用いられる。これらの非理想光源は、単一光子状態以外の状態（バキューム状態とマルチフォトン状態）を含み、これを利用するサイドチャンネルアタックの可能性がオープンする。具体的な攻撃として光子数分割攻撃が問題提起されたが（非特許文献１参照）、これらのセキュリティホールは囮光子の使用や、単一光子光源の使用によりクローズされたと考えられている（非特許文献２、非特許文献３参照）。
【００１１】
一方、量子ハッキングに利用される受信側サイドチャンネルとしては、デコーダーの不適切な使用（非特許文献４参照）や、光子検出器の非理想性によって生じるものが知られている。スタンダードな安全性証明においては、スレッショルドデテクタと呼ばれる、理想的光子検出器の使用が仮定されている。スレショルドデテクタは、単一光子状態以外に多光子状態にも反応し、光子の有無に応じた２値検出信号を生成する光子検出器であり、その安全性証明においては、光子数に依存せず、どの光子数状態に対しても等しい反応確率を持つ理想的光子検出器の使用が仮定されている（非特許文献５、非特許文献６参照）。
【００１２】
しかしながら、現実の光子検出器の反応確率は光子数状態に依存する。この想定特性との乖離を利用することにより、サイドチャンネルアタックの可能性がオープンする。様々なタイプのサイドチャンネルアタック（time-shiftアタック、blindingアタックなど）が具体的な攻撃法として例示され、一部は実験により実証されている（非特許文献７ないし非特許文献１０参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】G. Brassard, N. Lutkenhaus, T. Mor, and B.C. Sanders, Phys. Rev. Lett. 85 , 1330 (2000).
【非特許文献２】W.-Y. Hwang, Phys. Rev. Lett. 91, 057901 (2003).
【非特許文献３】Nicolas Sangouard and Hugo Zbinden, "What are single photons go o d for?," arXiv: 1202.0493.
【非特許文献４】R. Gelles and T. Mor, arXiv:1110.6573.
【非特許文献５】N. J. Beaudry, T. Moroder, and N. Lutkenhaus, "Squashing Models for Optical Measurements in Quantum Communication," Phys. Rev. Lett. 101, 093601 (2008).
【非特許文献６】T. Tsurumaru and K. Tamaki, "Security proof for quantum-key- distribution systems with threshold detectors," PhysRevA. 78, 032302 (2008).
【非特許文献７】L. Lydersen et.al., "Superlinear threshold detectors in quantum cryptography," Phys. Rev. A 84, 032320 (2011).
【非特許文献８】B. Qi, C.-H. F. Fung, H.-K. Lo, and X. Ma, Quantum Inf.Comput. 7, 73 (2007).
【非特許文献９】L. Lydersen, C. Wiechers, C. Wittmann, D. Elser, J. Skaar, and V. Makarov, Nat. Photonics 4, 686 (2010).
【非特許文献１０】I. Gerhardt, Q. Liu, A. Lamas-Linares, J. Skaar, C. Kurtsiefer, and V. Makarov, Nat. Commun. 2, 349 (2011).
【非特許文献１１】ベネット（Bennett）、ブラッサ-ド（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１２】E. Biham, B. Huttner, and T. Mor, "Quantum cryptographic network based on quantum memories,"Phys. Rev. A, 54, 2651 (1996).
【非特許文献１３】D. Gottesman, H.-K. Lo, N. Lutkenhaus and J. Preskill, "Security of quantum key distribution with imperfect devices," Quant. Inf. Comp. 5, pp. 325-360 (2004).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
量子暗号鍵配布プロトコルにおいて想定された信号量子状態以外のキャリアの量子状態を第３者が利用できる可能性があることが、サイドチャンネルの問題のポイントである。
【００１５】
キャリアの利用において、そのような想定外の量子状態の生成、観測、エンコードならびにデコードをなくす、あるいはその存在を検知可能にすることが、このようなリスクをなくすために是非とも必要である。
【００１６】
特に、受信側サイドチャンネルの問題は送信側の問題よりも深刻であると思われる。これは、用いられる光子検出器の特性は定量的モデル化が著しく困難であり、かつ、デバイス毎にばらつきがあるため、一般的な安全性証明を行うことが困難であることによる。受信装置の安全性が検出器特性に依存すること自体、実用的量子暗号鍵配付装置の信頼性を揺るがせる大きな原因となっている。
【００１７】
受信側サイドチャンネルについては、その対策を考えても、また新たにセキュリティホールが指摘され、いわゆる、いたちごっこから抜け出せない状況にある。仮に知られた攻撃に対する対策をとることができるとしても、実用的量子暗号鍵配付装置が安全と証明されるわけではない。量子暗号鍵配付装置のセキュリティホールは、インプリメントの改良と、改良されたデバイスをモデル化して安全性証明を改良することによって、首尾一貫してつぶすことが重要である。これが実用的量子暗号鍵配付装置が現代暗号に勝るという証明可能安全性を獲得しうる唯一の方法であり、首尾一貫した安全性証明を行うことが可能な受信装置の開発が望まれていた。
【００１８】
本発明は量子暗号鍵配付装置の抱える上記の課題に鑑みてなされたものであり、光子検出器の特性に依らず、首尾一貫した安全性証明が可能な受信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の量子暗号鍵配付の受信装置は、送信装置から伝送された伝送信号光を受信する量子暗号鍵配付システムの量子暗号鍵受信装置において、
リファレンス光を発生する、あらかじめ特性が校正されたリファレンス光源と、
前記伝送信号光を前記リファレンス光の量子状態と比較することにより、該伝送信号光の量子状態を測定する量子状態測定手段と、
を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明の量子暗号鍵配布システムは、上記の量子暗号鍵受信装置を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、受信装置の安全性が検出器特性に依存するという、従来受信装置の持つ最大の問題を解決し、受信装置内に配置されたリファレンス光源と乱数発生器の信頼性を仮定することにより、受信装置内に含まれる光子検出器の特性に依らず、首尾一貫して安全性を証明できる量子暗号鍵配付装置を実現できる。これにより、量子暗号鍵配付装置により配付された秘密鍵の安全性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による量子暗号鍵配付システムに用いられる量子暗号鍵受信装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明による量子暗号鍵配付システムに用いられる量子暗号鍵受信装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明による量子暗号鍵配付システムに用いられる量子暗号鍵受信装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明による量子暗号鍵配付システムに用いられる量子暗号鍵受信装置の第４の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明による量子暗号鍵受信装置の一実施例を示す図である。
【図６】配付鍵データの安全性を定性的に説明するための第１の概念図である。
【図７】配付鍵データの安全性を定性的に説明するための第２の概念図である。
【図８】一般的な量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図１は、本発明による量子暗号鍵配付システムに用いられる量子暗号鍵受信装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【００２５】
本実施形態は、リファレンス光源１１、エンコーダー１２、乱数発生器１３、量子一括状態比較測定回路１４、光検出器群１５、および、鍵データ分析装置１６により構成されている。
【００２６】
校正済みのリファレンス光源１１により生成された光の量子状態は、乱数発生器１３で生成された１ビット乱数に基づいてエンコーダー（変調器）１２により、量子力学的に相補的な２状態のいずれかの状態にランダムに変換される。量子一括状態比較測定回路１４は２つの入力ポートを有しており、エンコーダー１２により状態変換されたリファレンス光は一方の入力ポートに入射される。
【００２７】
量子一括状態比較測定回路１４の他方の入力ポートには、送信装置（不図示）より光伝送路１７を経由して伝送されてきた信号光が入射される。量子一括状態比較測定回路１４は、各入力ポートに入力された光の量子もつれを制御することにより、２つの入力ポートから入射された光の個別量子状態変数を測定すること無く、協同的量子状態変数（個別量子状態変数の関数値）を測定するもので、測定結果を示す４個の信号光を出力する。
【００２８】
光検出器群１５は、量子一括状態比較測定回路１４が出力する４個の信号光を検出する４個の光検出器からなるもので、光検出器群１５が検出した光検出パターンにより、得られた協同的量子状態変数が判明する。判明した協同的量子状態変数値は鍵データ分析装置１６に入射される。鍵データ分析装置１６には、協同的量子状態変数値に同期する、相補的状態変換に用いられた乱数データ、および、送信者からアナウンスされた基底変調データ（不図示）が入力され、各入力内容が分析され、安全鍵が抽出される。
【００２９】
エンコーダー１２および乱数発生器１３、比較測定回路１４および光検出器群１５の配置は２つの入射光間で入れ替えることもできる。これは、量子一括状態比較測定回路１４が２つの入力ポートから入射された光の量子状態の比較測定を行うことを反映している。図２は、この配置を入れ替えた、本発明による量子暗号鍵受信装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００３０】
本実施形態は、リファレンス光源２１、デコーダー（復調器）２２、乱数発生器２３、量子一括状態比較測定回路２４、光検出器群２５、および、鍵データ分析装置２６により構成されている。
【００３１】
量子一括状態比較測定回路２４は２つの入力ポートを有しており、校正済みのリファレンス光源２１により生成された光は一方の入力ポートに入射される。送信装置（不図示）より光伝送路２７を経由して伝送されてきた信号光は、乱数発生器２３で生成された１ビット乱数に基づいてデコーダー２２により、量子力学的に相補的な２状態のいずれかの状態にランダムに変換されて量子一括状態比較測定回路２４の他方の入力ポートに入射される。
【００３２】
量子一括状態比較測定回路２４は、各入力ポートに入力された光の量子もつれを制御することにより、２つの入力ポートから入射された光の個別量子状態変数を測定すること無く、協同的量子状態変数（個別量子状態変数の関数値）を測定するもので、測定結果を示す４個の信号光を出力する。
【００３３】
光検出器群２５は、量子一括状態比較測定回路２４が出力する４個の信号光を検出する４個の光検出器からなるもので、光検出器群２５が検出した光検出パターンにより、得られた協同的量子状態変数が判明する。判明した協同的量子状態変数値は鍵データ分析装置２６に入射される。鍵データ分析装置２６には、協同的量子状態変数値に同期する、相補的状態変換に用いられた乱数データ、および、送信者からアナウンスされた基底変調データ（不図示）が入力され、各入力内容が分析され、安全鍵が抽出される。
【００３４】
図１に示した実施形態では、リファレンス光に対してエンコーダー（変調器）１２により相補的状態変換が行われているのに対して、本実施形態では、信号光に対してデコーダー（変調器）２２により相補的状態変換が行われている。この状態変換の配置のバリエーションは、鍵データ分析装置２６における分析ロジックに影響を与えるだけで、両者は等価である。
【００３５】
量子鍵配付プロトコルにおいては、単一光子あるいは単一光子レベルの微弱レーザー光を信号光とし、偏光やタイムビンなどの二次元状態変調空間に鍵データがエンコードされる、ＢＢ８４プロトコルが最も信頼性の高いプロトコルとして知られている（非特許文献１１参照）。
【００３６】
図３および図４は、ＢＢ８４プロトコルを用いた受信動作を行う、本発明による量子暗号鍵配付システムに用いられる量子暗号鍵受信装置の第３の実施形態および第４の実施形態の構成をそれぞれ示すブロック図である。
【００３７】
第３および第４の実施形態は、図１および図２に示した各実施形態における、リファレンス光源１１、１２として単一光子光源３１、４１を用い、量子一括状態比較測定回路１４、２４としてベル状態測定回路３４、４４を用いた例である。
【００３８】
図３に示した、単一光子光源３１、エンコーダー３２、乱数発生器３３、ベル状態測定回路３４、光検出器群３５、および、鍵データ分析装置３６の動作は図１に示したリファレンス光源１１、エンコーダー１２、乱数発生器１３、量子一括状態比較測定回路１４、光検出器群１５、および、鍵データ分析装置１６と同様であり、図４に示した、単一光子光源４１、デコーダー４２、乱数発生器４３、ベル状態測定回路４４、光検出器群４５、および、鍵データ分析装置４６の動作は図２に示したリファレンス光源２１、デコーダー２２、乱数発生器２３、量子一括状態比較測定回路２４、光検出器群２５、および、鍵データ分析装置２６と同様である。
【００３９】
校正済み光源１１の例としては、単一光子光源以外にも、囮光子プロトコルにおいて送信装置内で校正済み光源として用いられる、数種の校正済み強度にランダム強度変動する微弱コヒーレント光源が考えられる（非特許文献２、３参照）。
【００４０】
［動作の説明］
以下、ＢＢ８４プロトコルを例にして、図３、図４および図５を参照しながら本発明の量子暗号鍵配付装置の受信装置の動作について説明する。
【００４１】
図３に示した実施形態では、送信装置からの伝送光子に同期して単一光子光源３１から光子が出射された光子は、エンコーダー３２により、１ビットの乱数発生器３３に基づいて相補的な非直交２信号量子状態のいずれかに状態変換される。光子は送信装置からの伝送光子とともにベル状態測定回路３４に入射される。ベル状態測定回路３４は、４種の可能な結果からなる２つの入射光子の信号量子状態の協同的量子状態変数
【００４２】
【数１】
2013201523.tif 000003
【００４３】
の値を測定する。ここで、
【００４４】
【数２】
2013201523.tif 000004
【００４５】
は相補的な非直交２信号量子状態に対応するx（y）,z成分演算子であり、
【００４６】
【数３】
2013201523.tif 000005
【００４７】
の値は、0または1をとる。i=0(1)は、送受信装置の選択基底が合致したデータについて、送受信データが相関（反相関）することを意味する。光子検出器群３５の光子検出パターンにより、その測定結果が判明する。鍵データ分析装置３６は、送信装置の選択基底のアナウンスおよび受信装置の選択基底を示す乱数発生器３３の乱数データを元に、送受信装置の選択基底が合致した意味のある鍵データを抽出し、これらの測定結果データのビット値を必要に応じて反転し、鍵データの候補とする。候補となった鍵データ乱数ビット列を誤り訂正や秘匿性増強などの後段プロセスに渡すことにより、安全な最終鍵を抽出する。
【００４８】
図４に示した実施形態では、相補的な非直交２信号量子状態とする状態変換が、デコーダー４２によって送信装置からの伝送光子に施されることだけが異なり、他は同様である。鍵データ分析装置４６は、送信装置のアナウンス、乱数発生器４３の乱数データおよびベル状態測定回路４４により判明した測定結果を元に、意味のある鍵データ候補を抽出し、後段プロセスに渡す。
【００４９】
図５は、図３に示した実施形態に対応する実施例であり、偏光状態空間を信号量子状態空間とし、確率的なベル状態測定回路を用いて構成した本発明による量子暗号鍵受信装置の一実施例を示す図である。
【００５０】
本実施例は、単一光子光源５１、偏光変調器５２、乱数発生器５３、ビームスプリッター５４、偏光ビームスプリッター５５、光子検出器５６−５９、同時信号検出分析器５Ａ、鍵データ分析装置５Ｂから構成されている。
【００５１】
ビームスプリッター５４、タテヨコ偏光を分離する偏光ビームスプリッター５５は、確率的なベル状態測定回路を構成し、偏光変調器５２がエンコーダーとして作用し、光子検出器５６−５９、同時信号検出分析器５Ａは光子検出器群を構成する。
【００５２】
単一光子光源５１により生成された光子は、１ビット乱数発生器５３の生成するデータに基づき、偏光変調器５２によりその偏光がタテまたは斜め偏光に変換され、伝送路５Ｃを介して送られてきた送信装置（不図示）からの伝送光子とともにビームスプリッター５４に入射される。ビームスプリッター５４からの２つの伝搬光子は、２つ設けられた偏光ビームスプリッター５５にそれぞれ入射し、偏光状態に応じて分離されて出射される。
【００５３】
伝搬光子は、光子検出器５６−５９により検出され、その同時検出パターンにより４種の可能な協同的量子状態変数の測定結果のうち２つの結果だけが確定的に判別され、他の２つの結果については判別不可能となる。
【００５４】
同時信号検出分析器５Ａは検出パターンに基づき、確定的な判別結果が得られたデータと判別不可能であったデータを仕分けし、後者については廃棄する。鍵データ分析装置５Ｂは、送信装置のアナウンス、乱数発生器５３の乱数データを基に、送受信装置の選択基底が合致し、かつ確定的な判別結果が得られたデータについて、基礎ビット０に必要なビット反転を施した上で鍵データ候補とする。
【００５５】
次に、このようにして得られる配付鍵データの安全性を定性的に説明する。
【００５６】
図６は、配付鍵データの安全性を定性的に説明するための第１の概念図であり、上図が、本発明による受信装置を、単一光子を送出する理想的送信装置と組み合わせた構成を示すブロック図である。
【００５７】
単一光子光源７１、乱数発生器７２、エンコーダー７３、ベル状態測定回路７４，光子検出器群７５が受信装置に対応し、単一光子光源７６、乱数発生器７７、エンコーダー７８が送信装置に対応する。
【００５８】
図６上図に示した装置系は、図６下図に示した、量子エンタングル光源ベースの量子暗号鍵配付装置系の時間反転系になっており、時間反転量子エンタングルスキームと呼ばれる（非特許文献１２参照）。
【００５９】
量子エンタングル光源ベースの量子暗号では、送受信者のテリトリに配置された光子検出器群７９および乱数発生器７Ａの信頼性を保証できれば、量子エンタングル光源７Ｃの信頼性に依存することなく配付鍵の安全性を証明できる。これに類似して、時間反転量子エンタングルスキームでは、送受信者のテリトリに配置された単一光子光源７１／７６、乱数発生器７２／７７の信頼性を保証できれば、ベル状態測定回路７４や光子検出器群７５の信頼性に依存することなく配付鍵の安全性を証明できることが、以下の説明のごとく非特許文献１２に示されている。
【００６０】
図７（ａ），（ｂ）は非特許文献１２に示された、配付鍵データの安全性を定性的に説明するための第２の概念図である。図７（ａ），（ｂ）は、共に２つの量子エンタングル光源８１／８４により生成された量子エンタングルした光子対の片割れをベル状態測定８２／８６により量子エンタングルさせる構成のスキームになっている。
【００６１】
図７（ｂ）に示すように、ＡおよびＢにおける量子エンタングル光子対の片割れの観測が、ベル状態測定８６よりも時間的に先だって行われると仮定する。
【００６２】
ＡおよびＢにおける観測が、ＢＢ８４状態と呼ばれるＢＢ８４プロトコルで用いられる４状態への射影測定である場合、観測後ベル状態測定８６に向かう他方の片割れの系の量子状態はＢＢ８４状態８５になり、時間反転量子エンタングルスキームと等価になる。
【００６３】
一方、図７（ａ）に示すように、ベル状態測定８２がＡおよびＢにおける量子エンタングル光子対の片割れの観測に先だって行われると仮定すると、観測後ＡおよびＢに向かう他方の片割れの系の量子状態は最大量子エンタングル状態８３になる。
【００６４】
最大量子エンタングル状態は盗聴者の用いる量子系を含め、全ての系から孤立している状態であるので、盗聴者はこの系からいかなる情報も得ることができない。ＡおよびＢに向かう系の量子状態が最大量子エンタングル状態であるかどうかは、２つの量子エンタングル光源８４やベル状態測定８６の信頼性の如何に依らず、ランダムな相補的基底を用いて配送された配付暗号鍵の量子ビットエラーから実験的に検証することができる。
【００６５】
上記のようにして得られる配付暗号鍵の量子ビットエラーが十分小さければ、ＡおよびＢに向かう系の量子状態が最大量子エンタングル状態であることが証明され、配付鍵の安全性が証明される。
【００６６】
ここで、観測実行タイミングには任意性があり、図７（ａ）に示した構成と図７（ｂ）に示した構成は量子力学的に等価であるので、結果として時間反転量子エンタングルスキームによる配付鍵の安全性も証明される。
【００６７】
以上の説明では、送信装置の光源は信頼性のある単一光子光源であると仮定したが、多光子成分が混入している場合には、非特許文献１３の方法により、多光子成分に相当する一部の鍵データを廃棄することにより、安全性を確保することができ、本発明の方法が安全であることを証明可能である。
【００６８】
先にも述べたように、受信装置の安全性証明の困難さは、用いられる光子検出器の特性の定量的モデル化が著しく困難ことに起因する。これに比較して、光源特性の評価とその定量的モデル化は容易である。そこで、本発明では、光源特性は安全な環境下で評価可能で、その特性を信頼性高く知ることができると仮定する。この光源が発生する光子の既知の量子状態をリファレンスとして伝送信号光の量子状態の比較観測を行うことにより、既知の量子状態以外の伝送信号光の量子状態をリジェクトしたり、対応する観測データを後除外したり、伝送鍵データにおけるエラー増加として受信側サイドチャンネルアタックを検出することが可能になる。リファレンス光の量子状態は既知であるから、信号量子状態を限定した量子暗号鍵配布プロトコルを実行した場合の安全鍵の生成量を計算可能である。
【００６９】
以上の説明においては、単一光子光源や微弱コヒーレント光源を用い、偏光状態空間を信号状態空間とするＢＢ８４プロトコルを例に、本発明の動作原理について説明したが、本発明で主張する、校正済みリファレンス光源と量子一括状態比較測定を含む量子暗号鍵配付装置の受信装置は、任意の光源、任意の信号状態空間、および任意の量子暗号鍵配付プロトコルに対して適用することが可能である。
【００７０】
例えば、偏光状態空間をタイムビン状態空間としても良いし、コヒーレント光とその位相空間を用いた量子暗号鍵配付スキームにも、原理的に適用可能である。
【００７１】
また、本発明は量子暗号鍵配付装置の受信装置という位置づけで記述したが、量子鍵配付プロトコルに限定されず、あらゆる量子暗号プロトコルを用いるタスクを実行する際の受信装置として用いることができる。
【００７２】
さらに、量子暗号プロトコルに限らず、あらゆる量子情報タスクを実行する際の受信装置として有用である。
【符号の説明】
【００７３】
１１、２１    リファレンス光源
１２、３２、７３、７８、７Ｂ    エンコーダー
１３、２３、３３、４３、５３、７２、７７、７Ａ    乱数発生器
１４、１５    量子一括状態比較測定回路
１５、２５、３５、４５、７５、７９    光検出器群
１６、２６、３６、４６、５Ｂ    鍵データ分析装置
１７、２７、３７、４７、５Ｃ    光伝送路
２２、４２    デコーダー
３１、４１、５１、７１、７６    単一光子光源
３４、４４、７３    ベル状態測定回路
５２    偏光変調器
５４    ビームスプリッター
５５    偏光ビームスプリッター
５６〜５９    光子検出器
５Ａ    同時信号検出分析器
７Ｃ    ＥＰＲ光源
８１、８４    量子エンタングル光源
８２、８６    ベル状態測定
８３    最大量子エンタングル状態
８５    ＢＢ８４状態
【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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