(57)【要約】【課題】送信装置で生成される光パルスの位相乱雑化が十分でなかったとしても、安全性の高い鍵を配付可能な量子暗号鍵配付方法を提供する。【解決手段】  送信装置は、送信者により設定された、平均光子数＜１を満たす複数種の平均光子数のセットのうち、いずれかの平均光子数になるように光パルスをランダムに強度変調した後、強度変調された光パルスを量子通信路を介して受信装置に送信する量子通信を行い、受信装置は、強度変調された光パルスを送信装置から量子通信路を介して受信すると、強度変調された光パルスの光強度を求め、複数の光パルスの量子通信の後に、送信装置および受信装置は各光パルスの光強度を古典通信路を介して相互に公開する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信装置および受信装置による量子暗号鍵配付方法であって、
前記送信装置は、送信者により設定された、平均光子数＜１を満たす複数種の平均光子数のセットのうち、いずれかの平均光子数になるように光パルスをランダムに強度変調した後、強度変調された光パルスを量子通信路を介して前記受信装置に送信する量子通信を行い、
前記受信装置は、前記強度変調された光パルスを前記送信装置から前記量子通信路を介して受信すると、該強度変調された光パルスの光強度を求め、
複数の前記強度変調された光パルスの量子通信の後に、前記送信装置および前記受信装置は各光パルスの光強度を古典通信路を介して相互に公開する、量子暗号鍵配付方法。
【請求項２】
請求項１記載の量子暗号鍵配付方法において、
前記送信装置は、前記セットを前記量子通信のラウンド毎に変更する、量子暗号鍵配付方法。
【請求項３】
送信者により設定された、平均光子数＜１を満たす複数種の平均光子数のセットのうち、いずれかの平均光子数になるように光パルスをランダムに強度変調した後、強度変調された光パルスを量子通信路に送出する量子通信を行う送信装置と、
古典通信路および前記量子通信路のそれぞれを介して前記送信装置と接続され、前記強度変調された光パルスを該送信装置から該量子通信路を介して受信すると、該強度変調された光パルスの光強度を求める受信装置と、を有し、
複数の前記強度変調された光パルスの量子通信の後に、前記送信装置および前記受信装置は各光パルスの光強度を古典通信路を介して相互に公開する、量子暗号鍵配付装置。
【請求項４】
請求項３記載の量子暗号鍵配付装置において、
前記送信装置は、前記セットを前記量子通信のラウンド毎に変更する、量子暗号鍵配付装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号鍵配付の方法および装置に関する。
【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。
この量子暗号鍵配付技術においては、単一光子の偏光自由度や位相自由度など、量子力学的自由度が極めて限定されたキャリアの量子状態を乱数鍵データ伝送に用い、不確定性原理に基づき盗聴者の盗聴行為を検出する。プライバシー増強プロトコルによって盗聴者に漏洩した鍵情報は消去可能である。関連技術の量子暗号鍵配付装置においては、単一光子光源の代用として減衰レーザー光源が用いられるが、この光源に対しては光子数分割攻撃に対する強い脆弱性が指摘された。その後、対抗策として囮光子手法が開発され、ほぼ理想的単一光子並の安全性が保証できることが示された（非特許文献１参照）。
【０００３】
図３は、関連する、囮光子手法を用いた量子暗号鍵配付装置の構成例を示すブロック図である。図３に示すように、量子暗号鍵配付装置は、量子通信路４１および古典通信路４２を介して接続される送信装置３０および受信装置５を有する。
送信装置３０は、光パルスを生成するレーザー光源（以下では、単に光源と称する）１１と、光パルスを位相変調する状態変調器１２と、乱数を状態変調器１２に供給する乱数発生器１４と、光パルスの強度を変調する強度変調器２３と、乱数を強度変調器２３に供給する乱数発生器１５と、乱数発生器１４、１５が発生した乱数を記録する分析部１６とを有する。
受信装置５は、光パルスを位相変調する状態変調器１７と、状態変調器１７に乱数を供給する乱数発生器２０と、光パルスの量子状態を判別する状態分析部１８と、量子状態の判別結果を示す信号を検出する光子検出器１９と、乱数発生器２０が発生した乱数および量子状態判別結果を記録する分析部２１とを有する。
分析部１６、２１は、記憶部（不図示）と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む演算部（不図示）とを有する。
【０００４】
図３に示した量子暗号鍵配付装置による量子暗号鍵配付方法の手順を説明する。
光源１１から出射されたレーザー光パルスは、乱数発生器１４が発生する｛乱数鍵データ、変調基底状態｝を決める２ビットの乱数に基づいて状態変調器１２により、予めプロトコルにより定められ、位相｛０，π／２，π，３π／２｝で特徴づけられた４種のコヒーレント光状態のいずれかに相対位相変調される。
位相変調後の光パルスは、乱数発生器１５が発生する乱数に基づいて、予めプロトコルにより定められた、平均光子数＜１未満を満たす数種の平均光子数のうち、いずれかになるように強度変調器２３によりランダムに強度変調される。安全な秘密鍵抽出のための分析を行う目的で、乱数発生器１４および１５が生成した乱数データ（すなわち、量子通信路４１に出射される光パルスの量子状態）は分析部１６に記録される。位相変調および強度変調を受けた微弱コヒーレント光パルスは、量子通信路４１を伝搬し、受信装置５に配送される。
【０００５】
微弱コヒーレント光パルスは、受信装置５に配送されると、状態変調器１７により、予めプロトコルにより定められた位相｛０，π／２｝で特徴づけられた２つの基底状態のいずれかに相対位相変調される。その後、位相変調後の光パルスに対して、状態分析器１８により位相｛０，π｝で特徴づけられた２つのコヒーレント光状態のいずれであったかの量子状態判別が行われ、光子検出器１９における信号検出によりその結果が判明する。安全な秘密鍵抽出のための分析を行う目的で、乱数発生器２０が生成した乱数データ（すなわち、配送された光パルスの量子状態判別に用いられる基底状態）、および量子状態判別の結果は分析部２１に記録される。
【０００６】
鍵データ配送のための一連の量子通信終了後、送受信者は分析部１６、２１において、手元に残した乱数データを基に安全鍵を抽出するための分析を行う。送受信者は手元の乱数データを参照し、送信および量子状態判別に用いた基底状態を古典通信路４２を用いて相互に公開することにより、両者の基底状態が合致する信号を特定する。送信者は手元の乱数データを参照し、全ての信号について送出信号強度および一部をサンプリングした信号の鍵データを古典通信路４２を用いて公開する。受信者は手元の乱数データを参照し、信号強度別に信号受信レートおよび鍵データの判別エラー率を評価し、安全鍵を抽出する秘匿性増強プロトコルの実行のために必要な鍵の短縮係数を囮光手法の理論に基づき評価する。送受信者は協力して残った鍵データのエラー訂正プロトコルおよび秘匿性増強プロトコルを古典通信路４２を用いて実行し、残った鍵データを安全な秘密鍵データとして共有する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】H.-K. Lo, X. Ma, and K. Chen, “Decoy state quantum key distribution,” Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
【非特許文献２】S.-H. Sun, M.-S. Jiang, X.-C. Ma, C.-Y. Li, and L.-M. Liang, “Hacking on decoy-state quantum key distribution system with partial phase randomization,” Sci. Rep. 4, 4759 (2014).
【非特許文献３】Y.-L. Tang, H.-L. Yin, X. Ma, C.-H. F. Fung, Y. Liu, H.-L. Yong, T.-Y. Chen, C.-Z. Peng, Z.-B. Chen, J.-W. Pan, “Source attack of decoy-state quantum key distribution using phase information,” Phys. Rev. A 88, 022308 (2013).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
囮光子手法においては、送出される微弱コヒーレント光パルスは、パルス毎に相対位相が十分に乱雑化されていることが仮定されている。この仮定を満たすためには、レーザー光パルスをパルス毎にランダムに位相変調する位相変調器や乱数発生器などの装置が送信装置に必要になり、装置のオーバーヘッドが増してしまう。また、理想通り位相乱雑化ができているかをモニターする装置も必要になる。実際、この位相乱雑化が不十分である場合には、送出４位相状態の量子識別が容易になったり（非特許文献２）、「量子通信路の透過率は光子数のみに依存する」という囮光子手法特有の仮定を破ることが可能になり得るため、鍵の安全性が脅かされる（非特許文献３）。
【０００９】
本発明は上述したような技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、たとえ、送信装置で生成される微弱コヒーレント光パルスの位相乱雑化が十分でなかったとしても、安全性の高い鍵を配付可能な量子暗号鍵配付方法および量子暗号鍵配付装置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】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明の量子暗号鍵配付方法は、送信装置および受信装置による量子暗号鍵配付方法であって、
前記送信装置は、送信者により設定された、平均光子数＜１を満たす複数種の平均光子数のセットのうち、いずれかの平均光子数になるように光パルスをランダムに強度変調した後、強度変調された光パルスを量子通信路を介して前記受信装置に送信する量子通信を行い、
前記受信装置は、前記強度変調された光パルスを前記送信装置から前記量子通信路を介して受信すると、該強度変調された光パルスの光強度を求め、
複数の前記強度変調された光パルスの量子通信の後に、前記送信装置および前記受信装置は各光パルスの光強度を古典通信路を介して相互に公開するものである。
【００１１】
また、本発明の量子暗号鍵配付装置は、
送信者により設定された、平均光子数＜１を満たす複数種の平均光子数のセットのうち、いずれかの平均光子数になるように光パルスをランダムに強度変調した後、強度変調された光パルスを量子通信路に送出する量子通信を行う送信装置と、
古典通信路および前記量子通信路のそれぞれを介して前記送信装置と接続され、前記強度変調された光パルスを該送信装置から該量子通信路を介して受信すると、該強度変調された光パルスの光強度を求める受信装置と、を有し、
複数の前記強度変調された光パルスの量子通信の後に、前記送信装置および前記受信装置は各光パルスの光強度を古典通信路を介して相互に公開する構成である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、微弱コヒーレント光パルスの位相乱雑化が十分でなかったとしても、より安全な鍵の配付を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態の量子暗号鍵配付装置の一構成例を示すブロック図である。
【図２】本実施形態における送信装置の動作手順を示すフローチャートである。
【図３】関連する量子暗号鍵配付装置の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本実施形態は、囮光子手法を用いた量子鍵配付プロトコルを利用して、より安全な鍵配付を行う装置および方法に関する。本実施形態の量子暗号鍵配付の装置および方法について、図面を参照しながら、関連する囮光子方法に対する改良点を説明する。
【００１５】
本実施形態の量子暗号鍵配付装置の構成を説明する。図１は本実施形態の量子暗号鍵配付装置の一構成例を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の量子暗号鍵配付装置は、送信装置３および受信装置５を有する。送信装置３と受信装置５は、量子通信路４１および古典通信路４２のそれぞれを介して接続される。
図３に示した装置と比較すると、本実施形態の量子暗号鍵配付装置の送信装置３には、強度変調器２３の代わりに、強度変調器１３が設けられている。
強度変調器１３に、平均光子数＜１を満たす複数種の平均光子数のセット（以下では、単に「平均光子数のセット」と称する）が送信者によって任意に設定され、強度変調器１３に設けられたメモリ（不図示）に格納される。強度変調器１３で光パルスに変調された送出光強度の情報は乱数発生器１５を介して分析部１６に記録される。
平均光子数のセットは、少なくとも２種類の平均光子数を有するものであればよい。例えば、平均光子数のセットとして、平均光子数が０．２と０．５の２種類を有するものが考えられる。また、平均光子数のセットの設定方法として、例えば、送信者が強度変調器１３のメモリ（不図示）に予め複数種の平均光子数のセットを登録しておき、新たなラウンドの量子通信を開始する際に、複数種の平均光子数のセットの中から１つのセットを選択する方法が考えられる。
強度変調器１３は、乱数発生器１５が発生する乱数に基づいて、設定された平均光子数のセットに含まれる複数種の平均光子数のいずれかになるように、状態変調器１２から受け取る光パルスをランダムに強度変調する。このように、本実施形態では、強度変調器１３は、光パルスを強度変調する際、予め定められたプロトコルにしたがって行うのではなく、送信者が設定した、平均光子数のセットに含まれる複数種の平均光子数の中から１つの種類の平均光子数をランダムに選択して行う。
【００１６】
次に、本実施形態の量子暗号鍵配付方法を説明する。図２は本実施形態における送信装置の動作手順を示すフローチャートである。
光源１１から出射されたレーザー光パルスは、乱数発生器１４が発生する｛乱数鍵データ、変調基底状態｝を決める２ビットの乱数に基づいて状態変調器１２により、予めプロトコルにより定められ、位相｛０，π／２，π，３π／２｝で特徴づけられた４種のコヒーレント光状態のいずれかに相対位相変調される（ステップ２０１）。
送信者は平均光子数のセットを強度変調器１３に設定しておく。位相変調後の光パルスは乱数発生器１５が発生する乱数に基づいて、送信者により設定された、平均光子数のセットのうち、いずれかになるように強度変調器１３によりランダムに強度変調される（ステップ２０２）。安全な秘密鍵抽出のための分析を行う目的で、乱数発生器１４および１５が生成した乱数データ（すなわち、量子通信路４１に出射される光パルスの量子状態）、ならびに送出光強度の情報は分析部１６に記録される。位相変調および強度変調を受けた微弱コヒーレント光パルスは、量子通信路４１を伝搬し、受信装置５に配送される（ステップ２０３）。このようにして、強度変調後の光パルスは量子通信路４１を通じて正規受信者に配送される。
【００１７】
微弱コヒーレント光パルスは、受信装置５に配送されると、状態変調器１７により、予めプロトコルにより定められた位相｛０，π／２｝で特徴づけられた２つの基底状態のいずれかに相対位相変調される。その後、位相変調後の光パルスに対して、状態分析器１８により位相｛０，π｝で特徴づけられた２つのコヒーレント光状態のいずれであったかの量子状態判別が行われ、光子検出器１９における信号検出によりその結果が判明する。安全な秘密鍵抽出のための分析を行う目的で、乱数発生器２０が生成した乱数データ（すなわち、配送された光パルスの量子状態判別に用いられる基底状態）、および量子状態判別の結果は分析部２１に記録される。
【００１８】
鍵データ配送のための一連の量子通信終了後、送受信者は分析部１６、２１において、手元に残した乱数データを基に安全鍵を抽出するための分析を行う。送受信者は手元の乱数データを参照し、送信および量子状態判別に用いた基底状態を古典通信路４２を用いて相互に公開することにより、両者の基底状態が合致する信号を特定する。送信者は、強度変調器１３に設定した、平均光子数のセット、および手元の乱数データを参照し、全ての信号について送出信号強度および一部をサンプリングした信号の鍵データを古典通信路４２を用いて公開する。受信者は手元の乱数データを参照し、信号強度別に信号受信レートおよび鍵データの判別エラー率を評価し、安全鍵を抽出する秘匿性増強プロトコルの実行のために必要な鍵の短縮係数を囮光手法の理論に基づき評価する。送受信者は協力して残った鍵データのエラー訂正プロトコルおよび秘匿性増強プロトコルを古典通信路４２を用いて実行し、残った鍵データを安全な秘密鍵データとして共有する。
【００１９】
図３を参照して説明した技術と本実施形態との違いは、送出コヒーレント光パルスの強度を予めプロトコルで定めておくか否かにある。囮光子手法の理論によれば、量子通信後に実行する秘匿性増強プロトコルのために必要な鍵の短縮係数の算出に送出光子の強度の情報が必要であるが、これを予めプロトコルで定めておく必要はなく、量子通信後に開示すれば十分である。送出した微弱コヒーレント光パルスの位相乱雑化が十分でなかった場合に可能となる盗聴攻撃は、非特許文献２や非特許文献３の例のように送出コヒーレント光パルスの強度が予め盗聴者に知られている場合に最適化できる。その強度が知られていない場合には、盗聴者は量子通信の実行中に最適な盗聴攻撃をする手段を失うため、盗聴の実行が不可能となり、配付鍵の安全性を向上させることができる。従って、送出コヒーレント光パルスの強度を予めプロトコルでは開示せず、量子通信後に古典通信路を用いて初めて開示することにより、囮光子手法を用いる量子鍵配付の安全性を高めることができる。
【００２０】
また、変形例として、上述の量子暗号鍵配付方法において、平均光子数のセットは、量子通信のラウンド毎に変更してもよい。この場合、さらに配付鍵の安全性を高めることができる。平均光子数のセットの変更は、送信者が行ってもよく、予め登録された複数種の平均光子数のセットから送信装置３（例えば、分析部１６に設けられた演算部（不図示））が乱数にしたがってランダムに選択してもよい。量子通信のラウンドとは、送信者から受信者に対して量子通信路を介して行う、量子暗号鍵配付のための一連の通信処理の期間であって、送受信者が古典通信路を介して互いの情報を公開する前までを意味する。
【００２１】
本実施形態によれば、たとえ、送出する微弱コヒーレント光パルスの位相乱雑化が十分でなかったとしても、より安全な鍵の配付を行うことが可能となる。盗聴者がより多くの鍵情報を盗聴する最適な盗聴手段を設計し構築することが不可能となる。
【符号の説明】
【００２２】
３    送信装置
５    受信装置
１１    レーザー光源
１２、１７    状態変調器
１３    強度変調器
１４、１５、２０    乱数発生器
１６、２１    分析部
１８    状態分析器
１９    光子検出器
４１    量子通信路
４２    古典通信路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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