(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子暗号のために干渉計によるシステムを使う送受信ステーションと鍵符号化ステーションとの間での通信方法において、
前記送受信ステーションは光のパルスを遅延させる遅延線を備え、
前記送受信ステーションは前記遅延線を通過させるか否かにより、少なくとも２つのパルスを互いに時間差をもって量子チャンネルを通して送出し、
前記鍵符号化ステーションは前記送出された少なくとも２つのパルスを受信した後、前記送受信ステーションに送出し、
前記送受信ステーションは、前記鍵符号化ステーションからの少なくとも２つのパルスを受信し、送出時に前記遅延線を通過させなかったパルスを前記遅延線を通過させた後のパルスと、送出時に前記遅延線を通過させたパルスとの間の干渉を検出することを特徴とする通信方法。
【請求項２】
前記パルスが、前記量子チャンネルの少なくとも一端で少なくとも１つのファラデーミラーによって反射されることを特徴とする請求項１記載の通信方法。
【請求項３】
前記干渉するパルス中の平均光子数が１より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の通信方法。
【請求項４】
前記パルスは第１と第２とのパルスを含み、
前記送受信ステーション中の光源が前記第１と第２とのパルスを送出し、前記送受信ステーションが前記第２のパルスを前記遅延線で遅らせ、前記鍵符号化ステーションが前記第２のパルスを受信し、前記鍵符号化ステーションが前記第２のパルスの位相を変調して前記第１と第２とのパルスの両方を前記送受信ステーションに向けて反射し、前記送受信ステーションが前記第１のパルスを遅らせてその位相を変調することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の通信方法。
【請求項５】
前記送受信ステーションに向けて反射される前記第２のパルス中の平均光子数が１より小さいように前記第２のパルスが前記鍵符号化ステーション中で減衰されることを特徴とする請求項４記載の通信方法。
【請求項６】
前記送受信ステーション及び前記鍵符号化ステーションの両方が前記第１と第２とのパルスに加えられる位相シフトをランダムに選ぶことを特徴とする請求項４又は５に記載の通信方法。
【請求項７】
前記位相シフトが０又はπのいずれかの値に選ばれること、及び、前記第１のパルスと前記第２のパルスとの間の干渉が、前記送受信ステーション及び前記鍵符号化ステーションの両方が同一の位相シフトを加えるときは相加的となり、前記送受信ステーション及び前記鍵符号化ステーションの両方が異なる位相シフトを加えるときは完全に相殺的となることを特徴とする請求項６記載の通信方法。
【請求項８】
前記送受信ステーションによって送出される少なくとも２つのパルスは、少なくとも２つの直交する偏光成分であることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の通信方法。
【請求項９】
前記送受信ステーション及び前記鍵符号化ステーションの１つが前記偏光成分の一方の位相を他方の偏光成分の位相に対してランダムに選ぶことによって、ランダムな偏光出力をつくり出すことを特徴とする請求項８記載の通信方法。
【請求項１０】
量子暗号のために干渉計によるシステムを使う送受信ステーションと鍵符号化ステーションとの間での通信システムにおいて、
前記送受信ステーションは光のパルスを遅延させる遅延線を備え、
前記送受信ステーションは前記遅延線を通過させるか否かにより、少なくとも２つのパルスを互いに時間差をもって量子チャンネルを通して送出し、
前記鍵符号化ステーションは前記送出された少なくとも２つのパルスを受信した後、前記送受信ステーションに送出し、
前記送受信ステーションは、前記鍵符号化ステーションからの少なくとも２つのパルスを受信し、送出時に前記遅延線を通過させなかったパルスを前記遅延線を通過させた後のパルスと、送出時に前記遅延線を通過させたパルスとの間の干渉を検出することを特徴とする通信システム。
【請求項１１】
前記送受信ステーション及び前記鍵符号化ステーションの少なくとも１つが、前記量子チャンネルの少なくとも一端に少なくとも１つのファラデーミラーを含むことを特徴とする請求項１０記載の通信システム。
【請求項１２】
前記送受信ステーション及び前記鍵符号化ステーションの少なくとも１つが、干渉すべきパルス中の平均光子数が１より小さいように前記パルスの強度を減衰するための手段を含むことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の通信システム。
【請求項１３】
前記パルスは第１と第２とのパルスを含み、
前記第１のパルスを前記量子チャンネルを通して送出する前に遅延させ、かつ前記量子チャンネルを通して受信された前記第２のパルスを遅延させるための前記遅延線、及び、前記第１と第２とのパルスの間の干渉を検出するための少なくとも１つの単一光子検出器、を前記送受信ステーションが含むこと、並びに、
前記鍵符号化ステーションが、前記第１と第２とのパルスを反射するためのミラー、及び、前記第１と第２とのパルスの少なくとも１つの位相を変調するための少なくとも１つの位相変調器、を含むこと、
を特徴とする請求項１０から１２までのいずれか一項に記載の通信システム。
【請求項１４】
前記送受信ステーションに向けて反射される前記第２のパルス中の平均光子数が１より小さいように前記第１と第２とのパルスの少なくとも１つを減衰するための手段、を前記鍵符号化ステーションが含むことを特徴とする請求項１３に記載の通信システム。
【請求項１５】
前記送受信ステーション及び前記鍵符号化ステーションの両方が前記第１と第２とのパルスに加えられる位相シフトをランダムに選ぶことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の通信システム。
【請求項１６】
前記送受信ステーション及び前記鍵符号化ステーションの両方が前記位相シフトを０又はπのいずれかの値に選ぶこと、及び、前記第１のパルスと前記第２のパルスとの間の干渉が、前記送受信ステーション及び前記鍵符号化ステーションの両方が同一の位相シフトを加えたときは相加的となり、前記送受信ステーション及び前記鍵符号化ステーションの両方が異なる位相シフトを加えたときは完全に相殺的となることを特徴とする請求項１５に記載の通信システム。
【請求項１７】
前記送受信ステーションによって前記送出される少なくとも２つのパルスは、少なくとも２つの直交する偏光成分であることを特徴とする請求項１０から１４までのいずれか一項に記載の通信システム。
【請求項１８】
前記送受信ステーション及び前記鍵符号化ステーションの１つが、前記偏光成分の一方の位相を他方の偏光成分の位相に対してランダムに選ぶことによって、ランダムな偏光出力をつくり出すことを特徴とする請求項１７記載の通信システム。
【請求項１９】
送受信ステーションによって送出される第１のパルスを前記送受信ステーションに向けて反射するための反射手段、
前記第１のパルスの直後に前記送受信ステーションによって送出される第２のパルスを前記送受信ステーションに向けて反射するための反射手段、及び、
前記第１のパルスに対して前記第２のパルスの位相を変調するための変調手段、
を有することを特徴とする、少なくとも１つの送受信ステーションに量子チャンネルを通して鍵を通信で送るための鍵符号化ステーション。
【請求項２０】
前記第１のパルスを検出するための検出手段、を有することを特徴とする請求項１９記載の鍵符号化ステーション。
【請求項２１】
前記第１のパルスと第２のパルスとのいずれもが前記変調手段を通り、同一の反射手段によって反射されること、及び、前記検出手段が前記第１のパルスを受信した直後に前記変調手段によって加えられる位相シフトが調節され、前記第２のパルスのみが前記変調手段によって位相を変調されること、を特徴とする請求項２０記載の鍵符号化ステーション。
【請求項２２】
前記第２のパルスに加えられる位相シフトをランダムに選ぶことを特徴とする請求項２１記載の鍵符号化ステーション。
【請求項２３】
前記変調手段によって加えられる位相シフトが０又はπのいずれかの値にランダムに選ばれることを特徴とする請求項２２記載の鍵符号化ステーション。
【請求項２４】
反射される前記第２のパルス中の平均光子数が１より小さいように前記第２のパルスの強度を減衰するための減衰手段、を更に有することを特徴とする請求項１９から２３までのいずれか一項に記載の鍵符号化ステーション。
【請求項２５】
受信した光の大部分を前記検出手段に送るカップラー、を前記減衰手段が含むことを特徴とする請求項２４記載の鍵符号化ステーション。
【請求項２６】
前記検出手段によって制御される減衰器、を前記減衰手段が含むことを特徴とする請求項２４又は２５に記載の鍵符号化ステーション。
【請求項２７】
前記反射手段がファラデーミラーを含むことを特徴とする請求項１９から２６までのいずれか一項に記載の鍵符号化ステーション。
【請求項２８】
前記検出手段が単一光子検出器ではないことを特徴とする請求項２０から２７までのいずれか一項に記載の鍵符号化ステーション。
【請求項２９】
前記変調手段がニオブ酸リチウム（LiNbO3）変調器からなることを特徴とする請求項１９から２８までのいずれか一項に記載の鍵符号化ステーション。
【請求項３０】
パルスレーザー光源、
遅延線、
検出手段、及び、
前記パルスレーザー光源によって放出されたパルスが２つのパルスに分かれ、分かれた第１のパルスは直接前記量子チャンネルに送出され、分かれた第２のパルスは前記遅延線によって遅延されてから前記量子チャンネルに送出される、ように接続され、かつ、
前記量子チャンネルから受信されたパルスが２つのパルスに分かれ、分かれた第１のパルスは直接前記検出手段に送られ、分かれた第２のパルスは前記遅延線によって遅延されてから前記検出手段に送られる、ように接続されるカップラー、
を有することを特徴とする、１つの鍵符号化ステーションから量子チャンネルを通して送られる鍵を受信するための送受信ステーション。
【請求項３１】
前記遅延線によって遅延されたパルスの位相を変調するための変調手段、を有することを特徴とする請求項３０記載の送受信ステーション。
【請求項３２】
前記変調手段が前記遅延されたパルスに加えられる位相シフトをランダムに選ぶことを特徴とする請求項３１記載の送受信ステーション。
【請求項３３】
前記変調手段が前記位相シフトを０又はπのいずれかの値にランダムに選ぶことを特徴とする請求項３２記載の送受信ステーション。
【請求項３４】
前記変調手段がニオブ酸リチウム（LiNbO3）変調器からなることを特徴とする請求項３１から３３までのいずれか一項に記載の送受信ステーション。
【請求項３５】
前記送受信ステーションが２つの検出器を含むこと、前記カップラーが前記検出器に接続された３×３のカップラーを含むこと、及び、パルスが前記カップラー内でつくられた干渉に応じて前記第１又は第２の検出器のいずれかに送られること、を特徴とする請求項３０記載の送受信ステーション。
【請求項３６】
前記パルスレーザー光源が円偏光のパルスを送出すること、及び、前記カップラーがそのパルスから垂直偏光と水平偏光とを分離する偏光カップラーであること、を特徴とする請求項３０記載の送受信ステーション。
【請求項３７】
前記遅延線が前記遅延されるパルスを反射する２つのファラデーミラーを含むことを特徴とする請求項３０から３６までのいずれか一項に記載の送受信ステーション。
【請求項３８】
前記検出手段が単一光子検出器であることを特徴とする請求項３０から３７までのいずれか一項に記載の送受信ステーション。
【請求項３９】
前記単一光子検出器が、降伏電圧を超えて逆にバイアスされてガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードであることを特徴とする請求項３８記載の送受信ステーション。
【請求項４０】
ダークカウントを減らすために光子が予測されるときだけ前記単一光子検出器が起動することを特徴とする請求項３８又は３９記載の送受信ステーション。
【請求項４１】
前記パルスレーザー光源がＤＦＢ（分布帰還形）レーザーであることを特徴とする請求項３０から４０までのいずれか一項に記載の送受信ステーション。
【請求項４２】
誤り訂正手段を更に有することを特徴とする請求項３０から４１までのいずれか一項に記載の送受信ステーション。
【請求項４３】
請求項３０から４２までのいずれか一項に記載の送受信ステーションと、請求項２０から２９までのいずれか一項に記載の鍵符号化ステーションと、を有することを特徴とする、量子暗号を使い量子チャンネルを通して鍵を配送するための装置。
【請求項４４】
請求項３０から４２までのいずれか一項に記載の送受信ステーションと、請求項２０から２９までのいずれか一項に記載の鍵符号化ステーションと、を少なくとも一つずつ有することを特徴とする、少なくとも１つの送受信ステーションと少なくとも１つの鍵符号化ステーションとの間で量子暗号を使い量子チャンネルを通して鍵を配送するためのマルチステーションシステム。
【発明の詳細な説明】
本発明は量子暗号を用いて鍵の配送を行うための光通信システムおよび方法に関する。
従来技術
量子暗号の目的は、通常、この分野で慣習的に、アリスとボブと呼ばれている２人のユーザー間で、完全な秘密保持性を保持しながらメッセージを交換することである。暗号法では、しばしば、公開鍵暗号化ならびに解読アルゴリズムが用いられる。その場合、情報の信頼性は、もっぱら、受け取ったメッセージの解読のための解読アルゴリズムに対して入力として用いられなければならない鍵に依存している。
鍵は、通常、ランダムに選ばれた充分長いビットの並びである。一旦鍵がつくられると、それ以後に送信されるメッセージを公衆チャンネル上でも安全に送信することができる。しかし、通信しようとする２人のユーザーは、ある段階で、その鍵を共有しなければならないので、それを送るために安全の保障されたチャンネルを用いなければならない。通常の鍵の伝送法では盗聴者による受動的なモニタリングの危険性にさらされているために、安全を保証できる秘密鍵の伝送は不可能であり、非常に面倒くさい物理的な秘密保持の対策が必要となる。しかし、安全な鍵の配送は、量子的な技術を使えば可能である。量子暗号では、鍵は量子チャンネルを通じて交換することができる。その安全保証は、適切に選ばれた量子系においては、いかなる測定も、不可避的に、この系の量子状態に変形をもたらすとい量子力学の基本にもとづいている。したがって、通常、イブと呼ばれている盗聴者が、測定を実行することによって量子チャンネルから情報を得ることはできるだろうが、正当なユーザーはこのイブの盗聴を検出できるので、この盗まれた鍵を使わないだろう。実際には、ここで言う量子系は、１９８４年に、インド、バンガロールで開催された国際コンピューター、システムならびに信号処理国際シンポジウムのプロシーディング（IEEE,ニューヨーク，１９８４）の１７５ページから１７９ページに記載されている、「量子暗号：公開鍵配送とコイン投げ」でC.H.BennettとG.Brassardが提案したように、光ファイバーを通して伝搬する単一光子で実現でき、鍵は光子の偏光または位相で符号化することができる。
干渉計形の量子鍵配送システムは通常、２重のマッハ・ツェンダー形干渉計にもとづいており、その一方はアリス用であり、もう一方はボブ用である（図１参照）。干渉している両パルスは、アリスとボブとの間では同一の経路を若干の時間差をもって通る。しかしアリスとボブとのそれぞれの干渉計内では異なった経路を通るので、これらの干渉計で時間多重が実行されることになる。良好な干渉を得るためには、両ユーザーは同一の干渉計を持たねばならない。それらの干渉計は各腕での結合比が等しく、経路長が等しい。両ユーザーは更に、伝送の期間中、それらの干渉計の経路長のゆらぎを数１０ナノメーター以内に安定に保たねばならない。したがって、熱的なドリフトを打ち消すために、数秒ごとに、一方の干渉計を他方の干渉計に対して調節しなければならない。その上、位相変調器のような光構成部品には偏光依存性があるので、伝送線と各干渉計内の両方について偏光制御が必要となる。偏光にもとづくシステムでは、アリスとボブの両方で偏光を揃えて保持するために、偏光を数十キロメーターにわたって安定に保たなければならない。このようなことは、明らかに、実際的な応用には不都合である。
本発明が解決しようとする技術的な問題は、したがって、量子暗号の改良された装置と改良された方法を発見することである。
これらの改良点は、本発明の種々の側面にもとづいて、独立請求項を特性づける特徴から導出される。
もっと具体的にはこれらの改良は、干渉するパルスが時間差をもって量子チャンネルを通るように干渉計の同じブランチを異なる順序で通る、というシステムで実現される。
本発明のシステムは、したがって、干渉計の配列調整やバランスをとる必要のないシステムを構成することを可能にする。本発明のシステムによれば、アリスとボブは、通常の標準的な通信チャンネルを通して、たとえば、暗号解読用の鍵などの情報を交換することができる。１本のチャンネルの両端のユーザーは、本発明の送受信ステーションおよび本発明の鍵符号化ステーションをチャンネルに接続し、互いの信号の同期をとるだけで、情報の交換をはじめることができる。
本発明のもう１つの側面によれば、偏光の影響のキャンセルを、ファイバー端に取り付けたファラデーミラーを用いることによって得ることができる。
本発明の詳細を、以下の図面を参照しながら、例を示すことによって説明する：
図１は従来技術による、従来形のマッハ・ツェンダー形干渉計の模式図である。
図２は本発明による装置の第１実施例の模式図である。
図３は本発明による装置の第２実施例の模式図である。
図４は本発明による装置の第３実施例の模式図である。
図１は、たとえば、米国特許５３０７４１０（Benett）に述べられているような在来の量子暗号用のマッハ・ツェンダー形干渉計のブロック図を示している。アリスの装置内にあるレーザー光源４０は、ボブに向かって短いレーザーパルスを放射する。レーザーパルスは、アリスによって互いに時間シフトされた２つのパルスＰ１とＰ２に分割される。前者は短い方の経路を通り、位相変調器４２を通過する；後者は長い方の経路４３で遅延される。２つのカップラー（ビームスプリッター）４１と４４はレーザーパルスを分割するのに必要である。鍵についての情報は、位相変調器４２によって導入される位相シフトで符号化される。
光ファイバー３を伝搬した後、互いに時間シフトされた２つのパルスＰ１とＰ２はボブ側にある同様の干渉計に到着し、３つのパルスが生じる。最初のパルスは、ボブ側の位相変調器５１を含む短いブランチを走行したＰ１からつくられる。最後のパルスはボブ側の遅延部５２を走行したＰ２からつくられる。これら２つのパルスは位相を設定するような情報は何も運んでいない。真ん中のパルスは、ボブ側の遅延線５２を通るＰ１と短いブランチ５１を通るＰ２との間の干渉により得られる。これら２つのパルス間の相対的な位相の設定の結果として、検出器５５と５６中に相加的あるいは相殺的な干渉が生じる。
良好な明瞭度を得るためには、２つの干渉計４と５は同一に保たれていて、しかも偏光状態が保存されていなければならない。特に、両干渉計内の遅延線４３、５２の長さは正確に同じでなければならない。これは、従来技術によって、数秒ごとに一方の干渉計を他方の干渉計に対して調整して、熱的なドリフトを補償することによって行われる。
本発明による量子暗号鍵配送のために構成された光通信システムの第１の実施例は、時間多重化にもとづいて位相で符号化された量子鍵配送を実行するものであるが、その構成を図２に示す。この実施例は、２×２のカップラー１２を含んでいることが特徴である。原理的には、ボブ側（１）に、アリス側へと出てゆく長い腕を持つアンバランス形マイケルソン干渉計があるということである。ボブ側では、送受信ステーション１はパルスレーザー１０、第１のカップラー１１、ファラデーミラー１６、第２のカップラー１２、位相変調器１３、第２のファラデーミラー１４、および単一光子検出器１７を含んでいる。レーザー１０は、たとえば、DFB（分布帰還形）レーザーであって、たとえば、１３００ｎｍで３００ｐｓの時間幅を持つパルスを、たとえば、繰り返し率１ｋＨｚで発生する。アリス側では、鍵符号化ステーション２は、カップラー２０、検出器２３、位相変調器２１、ファラデーミラー２２、および検出器２３で制御される減衰器２４を含んでいる。アリスとボブの装置は量子チャンネル３、たとえば、単一モード光ファイバーを含む光チャンネルの両端に結合されている。
ボブがアリスに向かって短いレーザーパルスを送ることによって伝送をはじめる。しばらくの間、ファラデーミラー１６、１４、２２の効果を無視し、これらを通常のミラーと見なすこととしよう。アリス側の腕にあるカップラー２０と検出器２３の必要性は後で説明する。カップラー１２に到着したパルスは２つの部分に分割される。第１の部分Ｐ１は直接アリスに向かい、一方、第２の部分は先ず（遅延線としての）ミラー１４での、つぎに１６での、それぞれ１回の反射によって遅延される。２つのパルスＰ１とＰ２はアリスへと向かってファイバーを伝搬する。アリスは彼女のビットを符号化するため、第１のパルスをミラー２２で反射させるだけだが、第２のパルスＰ２の位相をミラー２２の直前に設けた位相変調器２１（位相シフトφA）によって変調する。そこで、２つのパルスはボブへと逆行する。ボブ側では、同じ遅延線１４−１６で遅延されたＰ１の一部が検出される。ボブはパルスＰ２を変調なしに通過させるが、ミラー１４の直前に設けられた変調器１３で第１のパルスＰ１の位相を変調する（位相シフトφB）。このパルスはＰ２と干渉を起こす。もしアリスの変調器とボブの変調器とがいずれもオフ状態にあるか、それらの位相シフトの差がφA−φB＝０（２つのパルスＰ１とＰ２に同じ位相シフトが加えられた）であるなら、干渉は相加的である（２つのパルスは正確に同じ経路を通っている）。しかし、もし、アリスとボブが２つのパルス間の位相についての彼等の設定を別のものにとるならば、干渉は相殺的となるだろう。完全な相殺干渉は、φA、φBをそれぞれアリスとボブによってそれぞれに加えられたトータルの位相シフト、すなわち、帰途に位相変調器を通して経験する位相シフトとして、φA−φB＝πのときに得られる。この場合には、単一光子検出器１７で光は検出されない。位相シフトが異なるときに、得られる干渉が完全に相殺的になることが本質的に欠かせないことであることに注意すべきである。このことが、ボブが検出という事象を得るとき、彼は、アリスが異なる位相を使わなかった、したがって、彼女が彼自身のと同じ位相を使ったのだということを確信できることを保証しているのである。
このことは相対位相の設定が検出器１７での強度を変調していること、したがって、アリスからボブへの情報の移送に使うことができるということを示している。この構成の第１の魅力的な特徴は、干渉計が自動的に調節整列されること（両方のパルスが同じ遅延線で遅延される）と、干渉縞の明瞭度がカップラー１２の透過/反射係数に依存していないことである。
もちろん、光の大部分はこれら２つの経路を通るのではなく、システム内の多くのカップラーで、いろいろに分割される（たとえば、検出器１７へ向かう前に、14-1６間、あるいは、１６−２２間で数回の振動を繰り返す）。これらのパルスは最終的には、検出器１７に到達するが、到着時間が異なるので、これらを選別することは容易である。したがって、そのことが明瞭度を低下させることはない。特に興味のある事は、アリスからボブに戻ってきて、２つの干渉パルスの前に直接検出器に向かうＰ１の割合である。以下に、このパルスがある種のタイプの盗聴防止対策に必要であることを示そう。アリスとボブの間の距離がボブの干渉計の長さよりずっと長いので、ボブの設定において到着する２つのパルス間の時間遅延（すなわち、Ｐ２の出発とＰ１の帰還の間の時間）がアリスの設定におけるパルス間の時間よりもずっと長いことに注意すべきである。アリスとボブ間の１０ｋｍの距離は０．１ｍｓに対応する。このことはボブのステーションがこれよりも長い時間安定に保持できなければならないが、短い干渉計システムに対しては問題にならないことをことを意味している。ところで、ミラー１４と１６との間の距離を３ｍと仮定すると、アリスに到着するパルス間の時間遅延は３０nsに過ぎない。このことは、非常に長い伝送線に対しても、安定性については、何の問題もないことを意味している。しかし、パルス間の時間遅延が短いので、アリスが彼女のビットを符号化しようとすると、アリスが、Ｐ１の位相に影響を与えることなく、アリスに届くパルスＰ２の位相を変調するために、高速な位相変調器２１（約１００ＭＨｚ）を必要とすることになる。しかし、これは、現在入手可能なニオブ酸リチウム（LiNbO3）変調器を用いれば、何の問題もない。ボブ側では、同様な変調器で、もっと遅いものを用いることができる。その他の変調器についてはＷＯ９６/０７９５１に述べられている。
上の構成は複屈折性をもたない理想的なファイバーに対しては完璧に働くだろう、しかし、残念ながら、現存する如何なるファイバーも複屈折性を持っているので、光の偏光状態は変えられてしまい、必ず干渉の明瞭度は減少する。干渉を保存するために、通常のミラーを使うかわりに、本発明では、いわゆるファラデーミラー１４、１６、２２を使う。ファラデーミラーというのは、偏光を４５°回転させるファラデー回転子を通常のミラー上に接着したものである。
ファラデーミラーの効果はどのような偏光状態でも、それをその直交状態に変換することである。したがって、光ファイバーの各点での反射パルスの偏光状態は受信パルスの偏光状態に直交している。通常のミラー14と１６をファラデーミラーに置き直すこと（すなわち、ファラデー回転子をつけ加えること）は、遅延線１４-１６中の複屈折の存在に関わらず、パルスＰ１とＰ２が同じ偏光を持つことを保証している。したがって、パルスＰ２の偏光状態はファラデーミラー１４と１６上の２回の反射によって変化することはなく、同様に、Ｐ１の状態についても、検出器17へと出てゆく際のファラデーミラー１６と１４上の反射によっても変化することはない。上に述べたことは、長いファイバー（数キロメーター長）を伝搬するパルスＰ１とＰ２については、必ずしも成り立たないということに注意してほしい。ファイバー自体の中で小さなファラデー効果をつくりだす地磁気の影響や、複屈折性の速い変動があり得るために、戻ってくるパルスの偏光状態は必ずしも入力の偏光状態に直交しているとは言えなくなる。しかし、本発明の構成について重要なことは、２つの干渉するパルスＰ１とＰ２が同じ偏光を持っているということである。
アリス側でのファラデーミラー２２の使用は、位相変調器２１の偏光依存性や偏光依存形の損失の相殺を可能としている。
ここまでは、ただ単に巨視的なパルスについて議論してきた。量子暗号による安全保証を実現するためには、１９９２年、C.H.Bennett、G.BrassardおよびA.K.Ekertによって、サイエンティフィックアメリカン誌、２６７巻、５０−５７ページの「量子暗号」で説明されているように、情報を運んでいるパルスは、パルスあたり１個の光子を含む程度に、非常に弱くなければならない。このことは、通常、この分野で慣習上、イブと呼ばれている悪意の盗聴者がパルスの一部を取り出して、鍵の情報を得ようとすることを防止するためである。実際には、強く減衰させたレーザーパルスを使う。このような光の、光子の個数についての分布はポアソン分布なので、パルスが１個以上の光子を含む確率を十分低くとるためには、平均として、パルスあたり約０．１個の光子を使うことになる。このような減衰は、アリス側の腕に透過係数ｔ3〜1の特別強い透過係数を持つカップラー２０を挿入することによって得られる。これによって、ボブに送り返される単一光子的なパルスを得るに充分な減衰をミラー２２からの反射ビームに与え、同時に、検出器２３への強度を大きくするので、検出器２３には、単一光子検出器ではなく、通常の検出器が使える。もし、この減衰が十分でなければ、アリスは、検出器２３で制御される付加的な減衰器２４を彼女の構成の直前に挿入してもよい。こうすると、アリスは検出器２３を用いて、入ってくるパルスの強度をモニターできるので、ボブへ返送されるパルスＰ２が実際に正しい強度を持つように制御することができる。（ボブからアリスへのパルスはまだ位相情報を持っていないことを思い出してほしい：アリスが選んだ位相でパルスＰ２が符号化されるのは、パルスがボブへの帰途にある間だけである。）
入ってくる強度をモニターすることは、盗聴者イブが、システム中により強いパルスを送り込んで、アリスの与えた位相シフト値を得ようとする意図を、アリス側で検出できるという付加的な利点も持っている。
ボブ側での光検出器１７は、たとえば、降伏電圧以上に逆バイアスされガイガーモードで動作する液体窒素冷却アバランシェフォトダイオードなどの単一光子検出器でなければならない。ダイオードのバイアス電圧は、しきい値より充分低い直流部分と、短い、たとえば幅2nsの矩形パルスとの和である。その矩形パルスは、光子の入来が予想されるときにダイオードに印加され、そのしきい値をたとえば1.0V上回る。この時間のウインドウによって、ダークカウントの数を大幅に減らし、不必要なパルスを弁別除外することが可能となる。更に、検出器１７上でできるだけ多くの光を得るために、カップラー１１は、透過係数ｔ1〜1の強い透過係数のものでなければならない。
以上述べてきたシステムは、Ｂ９２プロトコール、すなわちC.H.Bennettによって、「任意の２非直交状態を用いた量子暗号」、Physical Review Letters、６８巻、３１２１−３１２４ページ、１９９２年、で提案された２状態プロトコールを実施するのに使うことができる。アリスとボブとはいずれもそれぞれの位相をランダムに選択して設定する。それにより、位相変調器１３と２１での位相シフト全体が０かπであり、それぞれビット値０又は１に対応する。この位相シフトがパルスの帰途に対応する位相シフトであることに注意してほしい。したがって、１つの検出事象があるならば、すなわち、相加的な干渉が起こったならば、アリスとボブは、彼等が同じ位相シフトを印加したことを、したがって、彼等が同じビット値を送ったことを知る。すなわち、もしボブがビット０を選んで、その結果、彼の検出器上で１つのカウントを得たならば、彼は、アリスもビット０を送ったことを知るし、そうでなければ、アリスがビット１を送ったことを知ることになる。
もしアリスとボブが異なる位相シフトを送ったとすればそれらの差は常にπであり、そのことは単一光子検出器１７上での干渉が常に相殺的で、カウントの登録が起こらないことを意味する。もちろん、ここでは非常に弱いパルスを用いているので、ボブが検出器１７でカウントを得ない瞬間は多い。したがって、このような場合、ボブはアリスが何を送ったかを推論することはできない。すなわち、アリスが異なった位相を使ったかも知れないし、ただ単に、パルス中に光子がなかったのかも知れない。ここで、なぜ、われわれが非常に弱いパルスを必要としているかを理解することができる。すなわち、もしアリスとボブが強いパルスを使ったとすれば、パルスは常に１個以上の光子を運んでいるので、ボブは常にアリスによって送られたビットを知ることができ、１つのカウントがあれば、同じ位相が選ばれ、カウントがなければ、異なった位相が選ばれたことを知ることができるだろう。ところが、そうすると、まずいことに、イブも同じことをすることができることになってしまう。たとえば、イブは、ただ単に臨時のカップラーを線路に取り付けるだけで、パルスを分割してアリスからのパルスの位相を測ることができる。すなわち、イブによる盗聴が可能となる。しかし、もしアリスの送ったパルスが、最大でも１個の光子を持つ程度に弱ければ、このような簡単な盗聴法では完全に見破られる。なぜなら、もしイブが光子を測ると、ボブはそれを受け取らないことになり、それに対応する情報伝送を棄却すればよいからである。
２状態システムについての、イブにとって可能なもう一つの盗聴法は、イブが伝送を全部ストップして、可能な限りの多くのパルスを測り、イブが得ることのできた一つだけをあらためてボブに送ることである。これを防ぐためには、アリスは、参照パルスとしての強いパルスＰ１と、位相情報を含む弱いパルスＰ２を送る必要がある。イブが強いパルスを抑圧すると、盗聴はすぐに見つかってしまう。また、もしイブが弱いパルスだけを抑圧すると、イブは位相情報を得なかったことになり、強いパルスだけでは検出器１７にノイズが誘起される。本発明のシステムでは、このことが、透過係数ｔ2〜１で、反射係数ｒ2〜０の強い非対称性を持つカップラー１２を使うことによって容易に実行することができる。この場合には、ボブの方に戻るパルスＰ１はパルスＰ２よりもずっと強い。パルスＰ２はすでに遅延線１４−１６を通っているので、かなり減衰している。ボブは、干渉を見る前に、パルスＰ１の検出器１７に直接向かう部分を検出することができる。また、アリスの構成と同じように、ファラデーミラー１６の直前に余分のカップラーと検出器を挿入することも可能である。
同じ構成を用いて、アリスとボブに対する位相の、以上に述べたのとは違った選択を、他のプロトコール、たとえば、インドのバンガロールで開催された国際コンピューター、システムならびに信号処理国際シンポジウムのプロシーディング（ニューヨーク、１９８４発行のIEEE）の１７５ページから１７９ページの「量子暗号：公開鍵配送とコイン投げ（Quantum Cryptography：Public Key distribution and coin tossing）」でC.H.BennettとG.Brassardが述べているようなプロトコール、すなわち、ＢＢ８４プロトコールを実行するのに使うことができる。このプロトコールによれば、アリスは４つの可能な状態のなかから選ぶ。また別の例として、もし、アリスの位相シフトが０とπ/２とではなく、０とある角度αとであれば、ボブが誤った位相シフトを用いるとき干渉が完全に相殺的であるように、π−αとπとを用いて相殺することはボブにとって容易である。
図３は、量子暗号を用いて位相で符号化された量子鍵配送システムを実施するよう構成された本発明による光通信システムの第２の実施例のブロック図を示している。この実施例は３×３のカップラー１２′を含むことを特徴としている。アリス側では、第１実施例と同じ鍵符号化ステーション２を使うことができる。ボブ側では、送受信ステーション１が、レーザー１０、３×３カップラー１２′、第１ファラデーミラー１４、第２ファラデーミラー１６、および単一光子検出器１７ならびに１８を含んでいる。
第１のパルスＰ１はブランチを以下の順序で辿る：
レーザー１０→ミラー１６→ミラー２２（アリス側の）→ミラー１６（ボブ側の）→ミラー１４→検出器１７、１８。
次のパルスＰ２はブランチを以下の順序で辿る：
レーザー１０→ミラー１６→ミラー１４→ミラー１６→ミラー２２（アリス側の）→検出器１７、１８。
パルスＰ１とＰ２との間の位相差に依存して、検出器１７上または検出器１８上のいずれかで相加的な干渉が検出される。アリスによる位相の選択が、π/３または−π/３のとき、検出器１７または検出器１８のいずれかに光子が送られる。
２個の検出器１７と１８を使うことの主な利点は、Ｂ９２プロトコールを実施するのにボブ側に第２の位相変調器を必要としないことである。欠点は２個の単一光子検出器１７と１８を必要とすることである。
ファラデーミラー１４の前に、先のシステムのように第２の位相変調器を加えると、ＢＢ８４システムを効率よく実施することが可能になる。アリスは、次の４つの可能な位相、π/３、-π/３、２π/３、および−２π/３のなかから選ぶことができ、一方、ボブは０（これはボブがπ/３と−π/３を区別することを可能とする）とπ（これはボブが２π/３と−２π/３の間を区別することを可能とする）とから選ぶことになる。
図４は、量子暗号を用いて偏光で符号化された量子鍵配送システムを実施するよう構成された本発明による光通信システムの第３実施例のブロック図を示している。この実施例は、ボブ側で偏光依存カップラー１２″を含むことを特徴としている。
アリス側では、第１実施例と同じ鍵符号化ステーション２を使うことができる。ボブ側では、送受信ステーション１が、レーザー１０、偏光制御器１００、第１カップラー１１、偏光依存カップラー１２″、第１ファラデーミラー１４、第２ファラデーミラー１６、および単一光子検出器１７′を含んでいる。ここでも、ボブ側には位相変調器を必要としない。
レーザー１０は、光を、たとえば右まわり円偏光で送るために偏光制御器１００を用いている。偏光依存カップラー１２″は垂直偏光と水平偏光とを分離する。偏光成分の１つ、たとえば、垂直成分は、ブランチを以下の順序で辿る（ただし、垂直から水平へ、また、その逆の偏光スイッチを使い、その都度、いずれか１つのファラデーミラーから反射される）：
レーザー１０→ミラー２２（アリス側の）→ミラー１６（ボブ側の）→ミラー１４→検出システム１７′。
一方、他の偏光成分（水平成分）は、ブランチを以下の順序で辿る：
レーザー１０→ミラー１４→ミラー１６→ミラー２２（アリス側の）→検出システム１７′。
２つの互いに直交するパルスが偏光依存カップラー１２′で再び混合されるので、そこから出てゆくパルスの偏光はそれらの間の相対的な位相に依存する。たとえば、ゼロの位相シフトは右回り円偏光（はじめの偏光と同じ）に対応し、一方、πの位相シフトは左周りの円偏光に対応する。また、±π/３の位相シフトは、それぞれ±４５°の直線偏光を与える。位相変調器における位相変化は、したがって、種々の出力偏光に対応する。その結果、本実施例では、ＢＢ８４プロトコールに対しても、ボブ側での第２の位相変調器を必要としない。その上、位相変調器２１における４つの異なる位相の選択を用いることによって、４つの異なる状態が符号化できる。この実施例の欠点は、これら種々の偏光を分離できるより複雑な検出システム１７′を必要とすることである。その上、この実施例では、戻ってくるパルスの偏光を入ってくるパルスの偏光と直交させることが必要である。したがって、速い偏光の変動と地磁気の影響が伝送線３の長さを制限することになる。
よい単一光子検出器でも誤りは避けられない。すなわち、ときに、光子を見逃してしまったり、逆に実際に光子を受けていないのに１個の光子をカウントしたり（ダークカウント）する。これに対して、たとえば、サイクリックな冗長度チェックなどの誤り訂正手段をボブ側に設けてもよい。
以上、送受信ステーション１と鍵通信ステーション２は２つの別々の装置として示してきたが、送受信ステーションと鍵通信ステーションとを同じ装置に一体化させることも有用である。この一体化装置はボブとアリスの役割を交互に果たすこと、すなわち、鍵送信を開始することも、他方の装置にその返事を送ってから鍵を送信することもできる。
本発明のシステムのいずれの実施例も、たとえば、ＷＯ９５/０７５８３に述べられているように、容易に、多ステーションシステム、すなわち、いくつかの相互に接続されたステーションに１つの鍵を同時に配送するためのシステム、に拡張することができる。
図４の実施例は、この観点から、量子チャンネルに送り出される遅延パルスが少なくなる点で、特に有利である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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