(57)【要約】【課題】安全性能を高めたＹｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコルによる暗号送信装置を提供する。【解決手段】本発明に係る暗号送信装置は、信号の搬送波を発生する搬送波発生器と、第一の疑似乱数を生成する第一の疑似乱数発生器と、第二の疑似乱数を生成する第二の疑似乱数発生器と、該第二の疑似乱数発生器により生成された疑似乱数を用いて基底系を選択する基底系選択部と、該第一の疑似乱数発生器により生成された疑似乱数、及び該基底系選択部から送られた基底系選択情報を用いて基底番号を決定する基底番号決定部と、該基底番号決定部から送られた基底番号を乱数発生器から送られた乱数にしたがって別のあるいは同じ基底番号に移し変える基底番号変移部と、該基底番号変移部から送られた基底番号、及び送信データ発生器から送られた送信ビットにしたがって該搬送波を変調する多値変調器と、を有する。【選択図】図４
2013021422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
搬送波を発生する搬送波発生器と、
乱数を出力する乱数発生器と、
送信データを出力する送信データ発生器と、
第一の疑似乱数を生成するための第一の疑似乱数発生器と、
第二の疑似乱数を生成するための第二の疑似乱数発生器と、
前記第二の疑似乱数を用いて、基底系を選択する情報である基底系選択情報を生成する基底系選択部と、
前記第一の疑似乱数及び前記基底系選択情報を用いて第一の基底番号を決定する基底番号決定部と、
前記第一の基底番号を、前記乱数発生器から送られてくる乱数にしたがって、第二の基底番号に移し変える基底番号変移部と、
前記第二の基底番号、及び前記送信データ発生器から送られてくる送信ビットにしたがって前記搬送波を変調する多値変調器と、
を有することを特徴とする光送信装置。
【請求項２】
前記基底番号決定部は、対応する桁が相互にビット反転した２つの二進数からなる基底系から、前記第一の疑似乱数及び前記基底系選択情報を用いて前記第一の基底番号を決定することを特徴とする、請求項１に記載の光送信装置。
【請求項３】
前記基底番号決定部は、２つ以上の基底系から、前記第一の疑似乱数及び前記基底系選択情報を用いて前記第一の基底番号を決定することを特徴とする、請求項１に記載の光送信装置。
【請求項４】
前記基底番号変移部は、前記第一の基底番号と前記第二の基底番号との差の絶対値が、ゼロ、１、及び２以上から選ばれる１つの値となるように、前記第一の基底番号を前記第二の基底番号に移し変えることを特徴とする、請求項１に記載の光送信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、暗号送信装置に関し、さらに詳しくはＹｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコルに基づく量子暗号システムにおける送信装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
暗号文に対応する信号の物理現象に関する物理学的原理を安全性の保証に使う暗号化法のことを物理暗号という。量子暗号はこれに属するものである。
【０００３】
量子暗号のうちで、近年活発に開発が進められているものにＹｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（Ｙ−００プロトコルと略称）がある。
【０００４】
この暗号化法は、正規の送受信者が共有する初期鍵から生成される疑似乱数を用いて、送信者の多値変調器と、受信機の信号検出器と、をそれぞれ制御することによって、直接の暗号通信を実施するものである。
【０００５】
このＹ−００プロトコルを具現化する通信装置としては、Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ大学のＰ．ＫｕｍａｒやＨ．Ｙｕｅｎらによる光位相変調を用いた通信装置（非特許文献１参照）、玉川大学のメンバーらによる強度変調を用いた通信装置（非特許文献２参照）、及び直交振幅変調を用いた通信装置（非特許文献３参照）が発表されている。
【０００６】
図１、図２及び図３により、従来技術の基本原理について説明する。
【０００７】
図１は、従来技術におけるＹ−００プロトコルの通信システムの基本的構成を示すブロック図である。図１に示すＹ−００プロトコルによる通信システムは、通信路４０６により接続された送信装置と受信装置により構成されている。
【０００８】
この送信装置は、疑似乱数発生器４０２と、疑似乱数発生器４０２に接続された基底番号決定部４０３と、基底番号決定部４０３と送信データ発生器４０５に接続されていて、搬送波発生器４０１で発生した搬送波を変調する多値変調器４０４と、を有してなるものである。
【０００９】
送信データ発生器４０５は、０あるいは１の送信ビットを発生する。
【００１０】
多値変調器４０４は、搬送波発生器４０１から発生する搬送波を、基底番号決定部４０３から送られてくる基底番号と、送信データ発生器４０５から送られてくる送信ビットと、に対応する信号に変調して、通信路４０６に送る。
【００１１】
図２を参照し、Ｙ−００プロトコルの通信システムにおける位相変調時の信号配置の一例を示す。例えば、多値変調器４０４の変調方式が位相変調方式である場合には、信号と、基底番号と、送信ビットと、の関係は図２のようになる。基底とは、基底番号を同じくする、送信ビット０の送信に使われる信号と送信ビット１の送信に使われる信号からなる組を指す。
【００１２】
再び図１を参照し、基底番号の総数をＭとすると、多値変調器４０４の送出することができる信号の種類は２Ｍ個となる。
【００１３】
疑似乱数発生器４０２は、初期鍵が入力されると二進数疑似乱数を発生する。
【００１４】
基底番号決定部４０３は、Ｌビットの二進数疑似乱数を基底番号に変換する、Ｌは正整数であって、基底の数をＭとしたときに、ｌｏｇ２Ｍと同じかそれを越える値である。
【００１５】
図３を参照し、従来技術における二進数系列と基底番号の対応の一例を示す。図３は、Ｌビットの二進数系列を基底番号に変換する規則の一例である。この変換規則を以下では基底系と称することにする。
【００１６】
図１の通信路４０６は、例えば光ファイバーなどから構成されている。
【００１７】
他方、受信機は、図１の疑似乱数発生器４０７と、疑似乱数発生器４０７に接続された基底番号決定部４０８と、基底番号決定部４０８に接続された信号検出部４０９と、を有してなるものである。
【００１８】
受信側の疑似乱数発生器４０７と、基底番号決定部４０８と、からなる部分は、送信側の疑似乱数発生器４０２と、基底番号決定部４０３と、からなる部分とその構成・機能が実質的に同一である。
【００１９】
図１の信号検出部４０９は、基底番号決定部４０８の出力である基底番号によって指定される基底に含まれる２つの信号の内のどちらかが送信された信号であるかを検出し、その結果に応じて０あるいは１を受信ビットとして出力する。
【００２０】
初期鍵を知らない盗聴者は、正規の送受信者がどの基底を用いて通信を行っているのか知らない。どの基底を用いているかを知らないので、暗号を解読するには送信者によって送信される可能性のある２Ｍ個全ての信号を識別する受信方法を用いなければならない。
【００２１】
上記の通信システムは従来の光通信であるが、初期鍵を知らない盗聴者の受信方法には制限が生じる。加えて、暗号解読を困難にする工夫が、信号配置や基底系の設定を通じてなされているので、Ｙ−００プロトコルの通信システムは安全な暗号通信を提供する。
【００２２】
ところで、上記システムにおいては、盗聴者が初期鍵から生成される疑似乱数を知ることを目的とした盗聴を実施した場合、盗聴者の得られる０と１からなるデータにおいては、その誤り確率が１／２からいくらか偏り、厳密に１／２とはならない。このことは、数理暗号の中ですでに開発されている暗号解読技術を、Ｙ−００プロトコルによる通信システムに対して、盗聴者が適用することの動機付けとなりうる。
【００２３】
したがって、盗聴者のデータの中の０あるいは１の誤り確率の１／２からの偏りを、より小さくする技術あるいは解消する技術は、Ｙ−００プロトコルによる通信システムの安全性を高めるために重要な技術である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】Ｇ．Ａ．Ｂａｒｂｏｓａ，  Ｅ．Ｃｏｒｎｄｏｒｆ，  Ｐ．Ｋｕｍａｒ，  Ｈ．Ｐ．Ｙｕｅｎ，  “Ｓｅｃｕｒｅ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｓｔａｔｅ”，  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，  ｖｏｌ．９０，  ２２７９０１，  （２００３年）
【非特許文献２】Ｏ．Ｈｉｒｏｔａ，  Ｋ．Ｋａｔｏ，  Ｍ．Ｓｏｈｍａ，Ｔ．Ｓ．Ｕｓｕｄａ，  Ｋ．Ｈａｒａｓａｗａ，  “Ｑｕａｎｔｕｍ  ｓｔｒｅａｍ  ｃｉｐｈｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ”，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ，  ｖｏｌ．５５５１，  ｐｐ．２０６−２１９，  （２００４年）
【非特許文献３】Ｋ．Ｋａｔｏ，  Ｏ．Ｈｉｒｏｔａ，  “Ｑｕａｎｔｕｍ  ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ  ｔｏ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ−ｓｔａｔｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ”，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ，  ｖｏ１．５８９３，  ｐｐ．５８９３０３−１−８，  （２００５年）
【非特許文献４】加藤研太郎、“光通信量子暗号Ｙ−００の相関攻撃に対する耐性の実証”、電子情報通信学会、信学技報ＯＣＳ２０１０−１０６（２０１１−０１）、ｐｐ．４３−４８、（０ＣＳ／ＣＳ研究会、２０１１年１月２７日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
従来の光通信量子暗号装置においては、初期鍵から生成される疑似乱数を知ることを目的とした盗聴を実施したときに、盗聴者の得る二進数系列データの中の０および１の誤り確率には１／２からの偏りがある。
【００２６】
この確率の偏りは、数理暗号の中ですでに開発されている暗号解読技術を、Ｙ−００プロトコルによる通信システムに対して適用することの動機付けとなりうる。また、そのことにより盗聴者が偶然解読してしまう可能性を排除できないという課題を有する。
【００２７】
本発明の目的は、かかる従来技術の現状に鑑みて、特に疑似乱数の保護性能を高めた光通信量子暗号装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明に係る暗号送信装置は、信号の搬送波を発生する搬送波発生器と、第一の疑似乱数を生成するための第一の疑似乱数発生器と、第二の疑似乱数を生成するための第二の疑似乱数発生器と、該第二の疑似乱数発生器によって生成された疑似乱数を用いて基底系を選択する基底系選択部と、該第一の疑似乱数発生器によって生成された疑似乱数、及び該基底系選択部から送られてくる基底系選択情報を用いて基底番号（第一の基底番号）を決定する基底番号決定部と、該基底番号決定部から送られてくる基底番号を、乱数発生器から送られてくる乱数にしたがって、別のあるいは同じ基底番号（第二の基底番号）に移し変える基底番号変移部と、該基底番号変移部から送られてくる基底番号、及び送信データ発生器から送られてくる送信ビットにしたがって該搬送波を変調する多値変調器と、を有することを特徴とする光送信装置として構成される。
【００２９】
このとき、好ましい例では、本発明に係る暗号送信装置は、対応する桁が相互にビット反転した２つの二進数からなる基底系から、第一の疑似乱数及び基底系選択情報を用いて第一の基底番号を決定する。具体的には、基底番号決定部では２つの基底系が用いられていて、それぞれの基底番号に対しては、ひとつの基底系ではＬビットの二進系列ａ１ａ２・・・ａＬが対応しており、もう一方の基底系ではａ１をビット反転させたｂ１と、ａ２をビット反転させたｂ２と、・・・、ａＬをビット反転させたｂＬと、からなる、Ｌビットの二進系列ｂ１ｂ２・・・ｂＬが対応している。
【００３０】
また、好ましい例では、本発明に係る暗号送信装置は、２つ以上の基底系から、第一の疑似乱数及び基底系選択情報を用いて第一の基底番号を決定する。
【００３１】
また、好ましい例では、本発明に係る暗号送信装置は、基底番号変移部は、第一の基底番号と第二の基底番号との差の絶対値が、ゼロ、１、及び２以上から選ばれる１つの値となるように、第一の基底番号を第二の基底番号に移し変える。具体的には、基底番号変移部は、基底番号決定部から送られてきた基底番号ｍを、ｍ、あるいはｍ＋２、あるいはｍ＋４、・・・、あるいはｍ＋２ｓ、あるいはｍ−２、あるいはｍ−４、・・・、あるいはｍ−２ｓ、の基底番号へと、経時的かつランダムに移しかえる。ここでのｓは非負整数である。
【発明の効果】
【００３２】
この発明においてはかかる構成により、盗聴者の暗号文単独攻撃および既知平文攻撃に対する安全性が著しく改善される。より具体的には盗聴者の測定結果から得られるビット列の各ビットの確率の偏りが解消される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来技術におけるＹ−００プロトコルの通信システムの基本的構成を示すブロック図である。
【図２】Ｙ−００プロトコルの通信システムにおける位相変調時の信号配置の一例を示す模型図である。
【図３】従来技術における二進数系列と基底番号の対応の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る暗号送信装置の基本的実施例の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施形態に係る暗号受信装置の基本的実施例の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施形態に係る二進数系列と基底番号の対応の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る基底番号１を基底番号２に変化させる対応の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図４は、本発明の実施形態に係る暗号送信装置の基本的実施例の構成を示すブロック図である。この暗号送信装置は、例えば、位相変調方式とすることができる。
【００３５】
図４の暗号送信装置において、疑似乱数発生器１０３は、第一の擬似乱数としての擬似乱数１を生成する。疑似乱数発生器１０４は、第二の擬似乱数としての擬似乱数２を生成する。基底系選択部１０５は、基底系を選択する情報としての基底系選択情報を生成する。基底番号決定部１０６は、第一の基底番号としての基底番号１を出力する。基底番号変移部１０７は、第二の基底番号としての基底番号２を出力する。
【００３６】
搬送波発生器１０２、多値変調器１０８、送信データ発生器１０９はそれぞれ、図１に示す従来の暗号送信装置における搬送波発生器４０１、多値変調器４０４と、その構成・機能が実質的に同一である。また、図４の疑似乱数発生器１０３は、図１の疑似乱数発生器４０２とその構成・機能が実質的に同一である。
【００３７】
疑似乱数発生器１０４は、疑似乱数２を発生し、基底系選択部１０５に送る。基底系選択部１０５は、その疑似乱数２に基づいて基底系を選択する。選択の結果は、基底番号決定部１０６に送られる。
【００３８】
基底番号決定部１０６は、疑似乱数発生器１０３から送られてくる疑似乱数１と、基底系選択部１０５から送られてくる基底系選択情報とに基づいて、基底番号を決定する。
【００３９】
基底番号決定部１０６は、２つの基底系の情報を有している。これらの２つの基底系について、図６を示して説明する。
【００４０】
基底番号決定部１０６から出力される基底番号は、基底番号変移部１０７に送られる。基底番号変移部は乱数発生器１０１の出力する乱数にしたがって、経時的かつランダムに基底番号を変化させる。ある基底番号ｍが変化する様子の例は、図７を示して説明する。
【００４１】
基底番号変移部１０７から出力される基底番号２は、多値変調器１０８に送られる。多値変調器１０８は、この基底番号２と、送信データ発生器１０９と、にしたがって、搬送波発生器１０２から出力される搬送波を変調して、通信路１１０に送り出す。
【００４２】
図５は、本発明の実施形態に係る暗号受信装置の基本的実施例の構成を示すブロック図である。
【００４３】
図５に示す暗号受信装置は、図４に示した暗号送信装置と同様に、位相変調方式とすることができる。図５の信号検出部２０８は、図１に示した従来の暗号送信装置における信号検出部４０９と、その構成・機能が実質的に同一である。また、図５の疑似乱数発生器２０３は、図１の疑似乱数発生器４０７とその構成・機能が実質的に同一である。
【００４４】
さらに、図５の暗号受信装置における乱数発生器２０１、疑似乱数発生器２０４、基底系選択部２０５、基底番号決定部２０６、基底番号変移部２０７は、それぞれこの順で、図４に示した乱数発生器１０１、疑似乱数発生器１０４、基底系選択部１０５、基底番号決定部１０６、基底番号変移部１０７と、その構成・機能が実質的に同一である。なお、乱数発生器２０１および基底番号変移部２０７は、省略することも可能である。
【００４５】
したがって、図５の暗号受信装置は、通信路１１０から受信した信号を復調し、基底番号２に基づいて受信データを出力することができる。
【００４６】
図６は、本発明の実施形態に係る二進数系列と基底番号の対応の一例を示す図である。
【００４７】
図６に示された２つの基底系の特徴は、例えば、基底番号１に対して、基底系１では１１０１１１００１１０が対応しており、基底系２では００１０００１１００１が対応している、という具合に、同一の基底番号に対応する二進系列が、互いにビット反転し合ったものになっていることである。
【００４８】
図７は、本発明の実施形態に係る基底番号１を基底番号２に変化させる対応の一例を示す図である。
【００４９】
具体的には、図７の対応関係は、図４に示した基底番号変移部１０７による処理である。基底番号変移部１０７は、基底番号１と基底番号２との差の絶対値が、ゼロ、１、及び２以上から選ばれる１つの値となるように、基底番号１を基底番号２に移し変える。
【００５０】
一例として、基底番号変移部１０７が、一様分布する基底番号１を、一様分布する基底番号２に移し変える処理について説明する。基底番号変移部１０７は、基底番号１としてデジットｋ’の集合Ｋ’が入力されたときに、次の式［Ｉ］〜［ＶＩ］からなる条件を満足するような確率Ｑ（ｋ｜ｋ’）にしたがって、基底番号２としてのデジットｋの集合Ｋを出力することができる。
【数１】
2013021422.tif 000003
【数２】
2013021422.tif 000004
【数３】
2013021422.tif 000005
【数４】
2013021422.tif 000006
【数５】
2013021422.tif 000007
【数６】
2013021422.tif 000008
【００５１】
式中、ｄは、基底のゆらぎ量を制御するパラメータであり、正規受信者が誤りなく通信できることに注意を払いながら設定される。Ｍは、基底番号の総数である。例えば、μを適当な正整数として、Ｍ＝２μ−１とする。また、パラメータｓは、正規送受信者の通信が正しく行われることを考慮しながら設定される。
【００５２】
このようにして、基底番号変移部１０７は、確率Ｑを用いて基底番号１を基底番号２に移し変えることができる。図５に示した暗号受信装置の基底番号変移部２０７は、基底番号変移部１０７と同様の処理を行うことができる。
【００５３】
本発明においては、以上の構成により、盗聴者の暗号文単独攻撃および既知平文攻撃に対する安全性が著しく改善される。より具体的には盗聴者の測定結果から得られるビット列の各ビットの確率の偏りが解消される。
【符号の説明】
【００５４】
１０１、２０１  乱数発生器
１０２、４０１  搬送波発生器
１０３、１０４、２０３、２０４、４０２、４０７  擬似乱数発生器
１０５、２０５  基底系選択部
１０６、２０６、４０３、４０８  基底番号決定部
１０７、２０７  基底番号変移部
１０８、４０４  多値変調器
１０９、４０５  送信データ発生器
１１０、４０６  通信路
２０８、４０９  信号検出部
【図１】
2013021422.tif 000009
【図２】
2013021422.tif 000010
【図３】
2013021422.tif 000011
【図４】
2013021422.tif 000012
【図５】
2013021422.tif 000013
【図６】
2013021422.tif 000014
【図７】
2013021422.tif 000015