(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）単光子信号を位相変調器を使用して位相変調し、
（ｂ）各単光子信号に基づいてそのもとの単光子信号と同様に位相変調され、その単光子信号に対して直交する方向の偏波を有している複製の単光子信号を送信手段において生成し、その送信手段を使用してこの生成された複製の単光子信号をもとの単光子信号と時間的に分離されてそれに後続する信号としてもとの単光子信号と共に伝送路により受信機に送信し、
（ｃ）受信機は１対の時多重伝送路を具備しており、前記伝送路を介して受信された前記単光子信号およびその複製の単光子信号を前記１対の時多重伝送路の各対によって伝送し、
（ｄ）前記１対の時多重伝送路の各対から出力される単光子信号および複製単光子信号を結合して干渉させて単光子信号および複製の単光子信号の伝送路によって受けた影響を除去し、測定装置により偏波に感応しない測定をする各ステップを含んでいる量子暗号法を使用する通信方法。
【請求項２】
位相変調された単光子信号は多重アクセスネットワーク上に出力され、この多重アクセスネットワークに接続された複数のユーザのそれぞれに対して前記ステップ（ｄ）が実行される請求項１記載の方法。
【請求項３】
ステップ（ａ）において、２つの直交する方向に偏波された成分に単光子信号を分割し、この２つの成分の一方を選択的に遅延し、それによって前記もとの単光子信号と複製単光子信号とを時間ドメインで分離するステップを含んでいる請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
分割し、選択的に遅延するステップは、ある長さの偏波保存ファイバ中を単光子信号を通過させることによって実行される請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記分割し、選択的に遅延するステップは、集積された導波体構造中を単光子信号を通過させることによって行われ、この集積された導波体構造はＴＥ／ＴＭまたはＴＭ／ＴＥモード変換器を含んでいる請求項３記載の方法。
【請求項６】
（ａ）単光子信号を位相変調器を使用して位相変調し、
（ｂ）各単光子信号に基づいてそのもとの単光子信号と同様に位相変調され、その単光子信号に対して直交する方向の偏波を有している複製の単光子信号を送信手段において生成し、その送信手段を使用してこの生成された複製の単光子信号をもとの単光子信号と時間的に分離されてそれに後続する信号としてもとの単光子信号と共に伝送路により受信機に送信する量子暗号法を使用する通信システムにおける送信機の動作方法。
【請求項７】
（ａ）単光子信号のソースと、
（ｂ）単光子信号を位相変調する位相変調器と、
（ｃ）位相変調器の出力を受信機に伝送する伝送路と、
（ｄ）もとの単光子信号から時間ドメインでそれぞれ分離されており、もとの単光子信号と同様に位相変調され、かつもとの単光子信号に対して直交する方向の偏波を有している複製単光子信号を生成してそれをもとの単光子信号と共に受信機に送信する手段と、
（ｅ）受信機に設けられて、前記伝送路を介して受信された前記単光子信号およびその複製の単光子信号をそれそれ伝送させる１対の時多重伝送路と、
（ｆ）前記１対の時多重伝送路から出力されるもとの単光子信号および複製単光子信号を結合して干渉させ、もとの単光子信号および複製の単光子信号の時多重伝送路によって受けた影響を除去して偏波に感応しない測定をするように構成されている復調および検出段とを具備している量子暗号法を使用する通信システム。
【請求項８】
前記単光子信号のソースを複数の受信機に接続する多重アクセスネットワークを具備している請求項７記載のシステム。
【請求項９】
復調および検出段には単光子検出器が含まれており、もとの単光子信号と複製単光子信号との時間ドメインでの分離は、単光子検出器の応答時間より短い請求項７または８記載のシステム。
【請求項１０】
（ａ）単光子信号のソースと、
（ｂ）単光子信号を変調する位相変調器と、
（ｃ）使用時に、位相変調器の出力を受信機に接続する伝送路と、
（ｄ）もとの単光子信号から時間ドメインでそれぞれ分離されており、もとの単光子信号と同様に位相変調され、かつもとの単光子信号に対して直交する方向の偏波を有している複製単光子信号を生成してそれをもとの単光子信号と共に受信機に送信する手段とを具備している量子暗号法で使用される送信機システム。
【請求項１１】
位相変調器の出力に接続されており、２つの直交する方向に偏波された成分に単光子信号を分割し、この２つの成分の一方を遅延し、それによって前記もとの単光子信号と複製単光子信号とを時間ドメインで分離するように構成されている分割器／遅延段を具備している請求項７乃至１０のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１２】
分割器／遅延段は、ある長さの偏波保存ファイバを含んでいる請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
偏波保存ファイバの光軸は、その入力部が単光子信号の偏波の平面に対して２０°乃至７０°の角度をなしている請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記角度は、実質的に４５°である請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
分割器／遅延段は、ＴＥ／ＴＭまたはＴＭ／ＴＥモード変換器を含む集積された導波体構造を含んでいる請求項７記載のシステム。
【請求項１６】
単光子信号を位相変調する位相変調器と、その位相変調された単光子信号と、その単光子信号とは時間ドメインで互いに分離され、その単光子信号と同様に変調され、もとの単光子信号と直交する方向に偏波されている複製の単光子信号とを含んでいる信号を生成して受信機へ送信する送信機とを具備している量子暗号通信システム。
【請求項１７】
単光子信号のソースと、単光子信号を変調する位相変調器と、位相変調器の出力を受信機に接続する伝送路と、その伝送路の出力を干渉計のような構成で結合することによって受信機において単光子信号の復調および検出を行う位相復調器および検出器（ＡＰＤ）とを具備している量子暗号法を使用する通信システムにおいて、
時間ドメインでもとの各単光子信号から分離され、もとの単光子信号と同様に位相変調され、その単光子信号に対して直交する方向の偏波を有している複製の単光子信号を生成し、その複製の単光子信号をもとの各単光子信号と共に前記伝送路によって受信機に送信し、
受信機が、もとの単光子信号と、その単光子信号と直交する方向の偏波された複製単光子信号との両方からの偏波に対する影響を結合して、偏波に感応しない測定をするように構成されていることを特徴とする通信システム。
【請求項１８】
（ａ）同様に変調され互いに直交する方向に偏波されているもとの単光子信号と複製単光子信号とをそれぞれ光入力として供給されて伝送する１対の時多重伝送路と、
（ｂ）もとの単光子信号および複製単光子信号の両方からの影響を含む時多重伝送路の出力を干渉装置によって結合して、偏波に感応しない測定をするように構成されている復調および検出段とを具備している量子暗号通信システムにおいて使用される受信機。
【請求項１９】
（ａ）それぞれ単光子信号と、その単光子信号に基づいて生成され単光子信号と同様に変調されもとの単光子信号に対して直交する方向に偏波されている複製単光子信号とを１対の時多重伝送路で受信し、
それらのもとの単光子信号とその複製単光子信号とは時間ドメインで分離されており、
（ｂ）前記１対の時多重伝送路からそれぞれ出力される時間ドメインで分離されている単光子信号と複製単光子信号とを干渉装置によって結合して、もとの単光子信号と複製の単光子信号とが受信機までの伝送路によって受けた影響を干渉によって除去して偏波に感応しない測定を行う量子暗号通信システムにおける受信機の動作方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、安全にデータを通信するための（セキュリティ通信用）システムに関する。とくに、本発明は量子暗号技術として知られている技術に関する。これは、たとえば光ファイバＬＡＮ上で、あるいは広帯域の光遠隔通信システム用のアクセスネットワーク中で使用するのに適した技術である。
量子暗号技術では、データは送信機において符号化され、受信機においてある特定のアルゴリズムを使用して復号化され、このアルゴリズムは、認可されているか否かにかかわらず、システムの全ユーザが自由に利用できるものである。システムの安全性（セキュリティ）は、認可されたユーザだけが利用可能なアルゴリズムへの鍵に依存する。このため、この鍵は、安全な量子チャンネル、すなわち単光子信号によって運ばれ、非古典的な性質を示すチャンネルで以下にさらに説明するものを介して配送される。その後、送信機と受信機が、公開チャンネルとして知られている別のチャンネルを介して通信し、送受信されたデータを比較する。送信された鍵を傍受している盗聴者が存在すると、受信されるデータの統計が変化し、しかもこの変化は検出可能である。したがって、データの統計においてこのような変化が生じなければ、その鍵は安全であることが分かる。その後、このようにして設定された秘密鍵は、送信機と受信機との間で続けられる通信の暗号および解読に使用される。安全性を高めるために、既存の鍵が新しく生成された鍵と周期的に交換されてもよい。
近年、量子暗号技術の実際的な適用の開発が熱心に進められてきている。たとえば、本出願人の初期の国際特許出願ＷＯ９５／０７５８２号明細書には、鍵配送のために量子暗号法を使用する種々の多重アクセスネットワークが記載されている。この出願明細書に記載されているように、単光子信号は、偏波（分極）変調もしくは位相変調を使用して符号化される。位相変調の場合、好ましい方法は、マッハ・ツェンダー構造を使用することであり、そこでは差分変調が１対の伝送路をまたいで与えられ、その伝送路の出力が復調器／検出器において干渉計のように結合される。実際、単一の物理的リンクだけが、送信機と受信機の間では利用可能なので、伝送路の１つに対応した信号に遅延を与えることにより、２つの通路がリンクをまたいで時多重される。この技術は文献（P.D.Townsend et al.,”Secure optical communications systems using quantum cryptography”,Phil.Trans.R.Soc.Lond.A（1996）354 805-817）にさらに詳細に説明されている。
今日まで提案され、あるいは実施されている全ての量子暗号システムは、本質的に偏波感応性である。比較的短いリンクを介した実験室システムでは、これは問題ない。しかしながら、３０ｋｍ以上のファイバリンクを使用して、実際に技術を実施するとなると、このシステムの偏波感応性のために多くの問題が生じる。光信号は定義づけされた偏波状態でリング中に注入され、リンクを通過しているときに、時間的に変化する温度応力が生じさせる複屈折、またはその他の環境要因の結果として偏波のランダムな変化の影響を受けることになる。このリンクの他端にある受信機は偏波感応性なので、受信機への入力において固定した偏波状態を維持するために積極的な偏波制御を使用するか、あるいはその代りに、このシステム全体にわたって偏波保存光ファイバを標準的な光ファイバと置換することが必要である。これらいずれの方法も、システムの費用および複雑さ、あるいはその一方を望ましくないほど増加させる。
本発明の第１の特徴によると、
（ａ）単光子信号を位相変調し、
（ｂ）この単光子信号を１対の時多重伝送路上を伝送し、
（ｃ）その時多重伝送路の各対においてもとの単光子信号と共に複製の単光子信号を伝送し、ここでこの複製の単光子信号は各もとの単光子信号と同様に変調されており、かつ各もとの単光子信号に対して直交する方向の偏波となっており、
（ｄ）もとのおよび複製の両単光子信号からの影響を含む時多重伝送路の出力を干渉計のように結合し、それによって偏波に感応しない測定をするステップを含む量子暗号法を使用する通信方法が提供される。
本発明は、伝送リンク上での偏波の変化に対して感応しない量子暗号法を初めて提供している。これは、１対のパルスを各時多重伝送路によって伝送することによって達成される。本明細書中で“もとの”および“複製”パルスと呼ばれるこのパルスは、等しく位相変調され、かつ直交する方向の偏波とされ、時間ドメインで分離している。これらは、単一のソースからのパルスを複製することによって生成されることができるが、本発明は、独立的で恐らく互いにコヒーレントなソースから“もとの”および“複製”パルスが得られる形態も含んでいる。このパルス対が分解されて、検出器において単一の測定を与えるようにするときに、一方のパルスにおける偏波変化の影響が、他方のパルスからの影響の相補的な変化によって補償される。以下、このメカニズムをさらに詳細に説明する。本発明によって、伝送リンクに対する偏波保存ファイバまたは積極的な偏波制御が不要であり、同時に、ほぼ安定した状態で、かつ環境的なストレスから独立したビットエラーレートをリンク横断時に提供する量子暗号法が使用できる。したがって、本発明により、量子暗号法を使用する堅牢で経済的な実用的なシステムがその安全性を高めることが可能となる。
この方法では、単光子信号を位相変調するステップに続いて単光子を直交する方向の偏波とされた２つの成分に分割して、２つの成分の一方を選択的に遅延し、それによってもとのおよび複製単光子信号を時間ドメインで分離させるステップが行われることが好ましい。このステップは、ある長さの偏波保存ファイバ中を単光子信号を通過させる方法によってとくに効果的に実行される。ファイバの軸が信号の偏波面と４５°を成している場合、この信号は直交する方向の偏波とされた等しい大きさの２つの成分に分離されることとなり、これらの成分はＰＭファイバを通って伝搬するときに時間的に分離している。複製パルスは、別の技術で生成できる。たとえば、送信機の出力側のカップラの使用されていない第２の出力ポートから複製信号を得てもよい。
もとのおよび複製信号の時間ドメインにおける分離は、単光子信号を復調して検出するステップで使用される単光子検出器の応答時間より小さいことが好ましい。その場合には、信号対雑音比の不利な条件をさらに課せられることなく、この検出器が２つの偏波成分からの影響を統合することとなる。
位相変調された単光子信号は、多重アクセスネットワーク上に出力され、この多重アクセスネットワークに接続されている複数のユーザのそれぞれに対して、復調および検出ステップが実行されることが好ましい。
通常の技術では、多重アクセスネットワーク環境において、偏波制御がとくに大きい問題となる。これは、このような環境では、複数の受信機のそれぞれがそれ自身の偏波制御システムを必要とするためである。したがって、各受信機は初期化過程を行って、はじめから偏波状態を適切に設定しなければならず、また量子チャンネル上を伝送しているあいだその偏波状態を維持しなければならない。したがって、この環境において本発明を利用するシステムを使用することがとくに有効である。
本発明の第２の特徴によると、
（ａ）単光子信号のソースと、
（ｂ）単光子信号を変調する位相変調器と、
（ｃ）位相変調器の出力を受信機に接続する１対の時多重伝送路と、
（ｄ）時間ドメインで各もとの単光子信号から分離されている複製の単光子信号を各時多重伝送路中において各もとの単光子信号で伝送する手段と、ただしここでもとの単光子信号と同様に変調され、かつもとの単光子信号に対して直交する方向の偏波とされているものとし、また、
（ｅ）もとのおよび複製の両単光子信号からの影響を含む時多重伝送路の出力を干渉計のように結合して、単一の偏波に感応しない測定をするように構成された復調および検出段とを具備している量子暗号法を使用する通信システムが提供される。
本発明の第３の特徴によると、
時間ドメインで互いに分離しており、同様に変調され、互いに直交する方向に偏波されているもとのおよび複製の単光子信号を含んでいる量子暗号通信システムにおいて使用される信号が生成される。
本発明はまた、送信機システムおよびその動作方法、並びに受信機およびその動作方法を含む。
以下、本発明を使用するシステムを添付図面を参照して例示によって詳細に説明し、従来技術と対比する。
図１は、量子暗号技術を使用する従来技術の通信システムの概略図である。
図２ａおよび２ｂは、図１のシステムにおける受信機の出力を示すグラフである。
図３ａおよび３ｂは、偏波回転に対するビットレートとビットエラーレート（ＢＥＲ）との関係を示すグラフである。
図４は、複製の単光子パルスを生成するための偏波保存ファイバの使用を示す概略図である。
図５は、本発明を使用するシステムの第１の実施形態の概略図である。
図６は、図５のシステムにおける伝送リンク上の信号を示す図である。
図７は、図６のシステムにおける受信機の出力を示すグラフである。
図８は、本発明を使用するシステムの第２の実施形態の概略図である。
図９は、量子暗号技術を使用する通信方法のフロー図である。
図１０は、本発明を使用するシステムの別の実施形態の概略図である。
図１１は、本発明のプレーナシリカ構造において使用される基板の断面である。
図１２は、プレーナシリカ構造を使用する送信機の第１の実施形態である。
図１３は、プレーナシリカ構造を使用する送信機の第２の実施形態である。
図１４は、プレーナシリカ構造を使用する送信機である。
図１５は、２個の単光子ソースを含むシステムの部分を示す概略図である。
図１に示されているように、マッハ・ツェンダー構造を使用する通常の量子暗号システムは、伝送ファイバ３によって結合された送信機１および受信機２を含んでいる。送信機１は単光子ソースを含み、この例ではこの単光子ソースがレーザ４と減衰器５とによって用意される。レーザ４によってパルス化された光信号出力は、各時間スロット中に存在する光子の個数は一般にせいぜい１個であり、平均すると１個よりはるかに少ないように減衰器５によって減衰される。代りに、パラメータ増幅器ソースから単光子パルスを得てもよい。ソースの両型式は、必要な量子的特質を示すパルスを生成する。この明細書において使用されている“単光子パルス”という用語は、その生成方法にかかわらず、このような全てのパルスを示す。
減衰されたレーザからの単光子パルスは、最初に５０／５０ファイバカップラ６を通過する。このカップラは、変調器セクション７の２つのアームにパルスを分割する。変調器セクション７の一方のアームは、偏波制御装置が前にある位相変調器を含んでいる。この偏波制御装置は、一般的にそうであるように、変調器が偏波依存性である場合に必要である。他方のアームは、第１のアームに関して時間遅延を生じさせるために短いファイバループを含む。この他方のアームはまた、偏波制御装置82を含み、この装置82はそのアーム中の光を、第１のアームのものに直交する偏波状態に設定するために使用される。変調器セクションの２つのアームは、第２の５０／５０ファイバカップラ９によって伝送ファイバに結合される。
受信機では、送信機のものとほぼ相補的な構造が使用される。受信機への入力では、偏波分割器10が、伝送ファイバからの信号を受信機変調器セクション11の２つのアームに結合する。これは、送信機におけるように、一方のアームにおいて対の偏波制御装置および位相変調器を含み、それが基準面内に偏波している信号を受信し、また他方のアームに遅延ループと別の偏波制御装置とを含んでいる。遅延ループは、送信機中の遅延ループと大きさが同じであり、送信機の２つのアームからのパルスを時間的に整列する。同時に、偏波制御装置は、受信機の２つのアーム中の信号を同じ偏波状態にする。その後、２つのアームからの信号は、５０／５０カップラにおいて結合され、与えられる位相変調に応じて構成的または破壊的に干渉する。パルスが伝送リンク上でそれらの偏波状態を維持している理想的な場合において、この干渉は、実質的に完全なもの（すなわち、１に近い干渉縞の可視度）となるであろう。信号は、ファイバカップラ14の２つの出力ポートの一方または他方から出力される。各出力ポートに個々の検出器を設けてもよい。便宜上、この例のように、単一のアバランシェ光ダイオードを光検出器として使用してもよく、それはさらに短い時間ループを使用して時間ドメインで分離された２つの出力ブランチを備えている。
上述の通常のシステムは、本質的に偏波感応性をもつ。受信機において、偏波分割器が、それらの偏波状態にしたがって受信機の２つのアームに信号を分割し、基準面に対して直交する方向に偏波された先頭のパルスを受信するブランチにおいてのみ遅延を与える。しかしながら、送信機とファイバとの間でリンクを通って伝送しているあいだに、パルスが偏波状態のドリフトの影響を受けた場合、送信機からの先頭のパルスの成分は、受信機の下方アーム、すなわち、遅延ループを持たないアームに入り、主出力信号より前に出力に現れることとなる。同様に、偏波ドリフトの結果、はじめに基準面に対して平行に偏波した信号、換言すると、送信機においてはじめに遅延された信号の成分は、受信機中の上方ブランチ、すなわち遅延ループを含むブランチに現れ、さらに遅延されることになる。その後、この成分は、光子カウントの主ピークの後に続く後続の（トレーリング）サイドピークとして出力信号において現れる。
偏波ドリフトの影響が図２に示されており、そこには通常のシステムからの出力が理想的な偏波とそうでない偏波の両ケースで示されている。時間データは、ランダム鍵シーケンスの伝送中に記録された検出事象を示し、ヒストグラムはこのような伝送の１つまたは複数のものの平均を示している。ＡＰＤによって生成された各パルスが時間インターバル測定をスタートし、それは第１の後続するクロックパルスによって終了される。内容がここにおいて参照とされている本出願人の別出願の国際特許出願ＷＯ９５／０７５８２明細書に記載されているように、量子チャンネル上を信号を伝送する前に、多光子同期信号が送信機から受信機に伝送される。システムクロックは、このようにして送信機中のレーザへの電気パルスドライブと同期され、それによって光子検出事象が、幅τの水平帯域に存在する明確なインターバルを有し、ここでτはＡＰＤ応答時間である。システムの最後のマルチプレクサ段における遅延ループは、干渉計の“０”および“１”出力ポートから到達した光子が異なるインターバル値を生成し、それによって時間的に区別されることを確実にする。ＡＰＤの暗カウントはレーザソースと同期されず、したがってランダムなインターバル値を生成する。フォトカウント帯域外にある暗カウントは排除されるが、この帯域内に入って来る比較している部分は鍵伝送でエラーを生じさせる。図２の上方のグラフに示された理想的な偏波の場合において、受信機に到達した全ての光子は干渉し、フォトカウントヒストグラムにおいて２つのピークしか観察されない。下方のグラフに示されている理想的でない場合、多数の光子が干渉しない付随のピークにたどりつく。したがって、偏波ドリフトの影響は、主信号ピークのレベルを低下させ、かつサイドピークのレベルを増加することによって受信機において信号対雑音比を減少させるものである。観察されるビットエラーレートは盗聴者に漏れた情報量の尺度として使用されるため、これは、量子暗号システムにとって重大な問題となる可能性が高い。偏波ドリフトが原因の高い背景エラーレートは、盗聴者を検出する能力を制限し、そのためにシステムの安全性が妥協される可能性が高い。さらに、受信機における信号の劣化は、伝送リンク中の偏波ドリフトが変化するにしたがってランダムに変化する傾向がある。したがって、上述した本出願人の別出願の国際特許出願明細書に記載されているように、伝送リンクの出力において積極的な偏波制御が要求される。
偏波ドリフトの影響を計算するために、システム中のビットエラーレートＢＥＲに対して以下の式を使用する：
ＢＥＲ＝［Ｄｆ＋（１／２）（１−Ｖ）ＰＬηｃｏｓ2θ］／（Ｄｆ＋ＰＬηｃｏｓ2θ）
ここで、Ｄは検出雑音による単位時間当たりのカウントの数であり、ｆはフォトカウントウインドウ内のカウントの分数であり、Ｖ（近似的に１）は、干渉縞の可視度であり、Ｐは送信機から出た単位時間当たりの光子の平均数であり、Ｌはファイバおよび光学部品中での損失によるシステム伝送係数であり、ηは検出器の量子効率である。余弦項は、角度θによりパラメータで表された偏波ドリフト後の主干渉ピーク内のパルス成分の大きさを表している。分子中の２つの項は、検出器雑音および不完全な干渉縞の可視度によって生じるエラーレートをそれぞれ表し、分母は、このシステムについて受取られたビットレートである検出ウインドウ中の合計カウント率を表している。この結果は、Ｄ＝１０4ｓ-1，ｆ＝５×１０4，Ｖ＝０．９８，Ｐ＝１０5ｓ-1，Ｌ＝０．０８およびη＝０．１２のパラメータ値として図３に示されており、これらはMarand氏およびTownsend氏による文献（Opt.Lett.,20,1697[1995]）に記載された実験を表している。θが増加するにしたがって、ビットレートおよびＢＥＲの両方が周期的に変化する。ＢＥＲピークでは、図２に示されている主フォトカウントピークは消えてしまい、全ての光子が付随のピークで検出されるであろう。安全な量子鍵配送は、たとえば≦０．１の比較的低いＢＥＲでのみ実現できる。したがって、積極的な偏波制御を行わない場合、通常のシステムは大きい鍵伝送率変化を示し、周期的に安全ではなくなることが明らかである。
図４は、本発明を使用するシステムの第１の実施形態を示す。従来のシステムと比較すると、その送信機は、時間遅延され値パルス対が共通（ｃｏ）偏波されて、ある長さの偏波保存（ＰＭ）ファイバを通過した後、伝送リンクに入る点で修正されている。図５に示されているように、パルス対は、ＰＭファイバの高速および低速の複屈折軸に対して４５°で偏波され、異なる偏波速度が時間で分離されることとなるパルスの直交する偏波成分を生じさせる。４５°の入射角において、２つの成分は大きさが等しく、したがって偏波ドリフトのエラーレートに対する全体的な影響は実質的にゼロである。別の入射角では、２つの成分の大きさが異なり、このエラーレートは偏波ドリフトに対してある感応性を示す。最初の４５°から角度がずれるにつれて、それ以外の角度ではシステムにおいて雑音レベルが概して低いため、その影響が実効ビットレートを低下させる。この角度がさらに４５°からずれると、エラーレートが急に増加し始める。この感度は入射角が０°または９０°になるまで、換言すると、偏波の平面がファイバの高速軸または低速軸の一方に一致するまで増加する。単一の成分だけが伝送され、そのため偏波ドリフトに対する感度が、従来のシステムで見られる程大きくなる。したがって、ファイバの軸と入力信号の偏波の平面との間の角度は４５°であるが、それが無理ならば、ほぼ２０°乃至７０°の範囲内にあることが好ましく、さらに好ましい範囲は３５°乃至５５°である。２次時間遅延ｔ2はＡＰＤ応答時間ｔd（一般に３００乃至５００ｐｓ）より小さく、比較パルス幅τp−５０ｐｓより大きいように選択される。市販のＰＭファイバのほとんどにおいて、〜１５０ｍのファイバにより１５０ｐｓの遅延を得ることができる。１次時間遅延ｔ1は、一般に５００ｐｓ乃至３ｎｓである。図４において//および⊥符号の端部で示した偏波基準面は、ＰＭファイバの後４５°回転されることに留意されたい。
直ぐ前の段落で説明した構造を使用すると、送信機の一方または他方のアームから出力された各信号について、短い遅延で分離され、かつ直交する偏波状態の１対の同様に位相変調されたパルスが伝送される。したがって、この送信機によって出力されたパルスの全体的なパターンは、図６に示されたものとなる。
受信機において、積極的な偏波制御は全く必要ない。代りに、信号は偏波素子を通過し、その後５０／５０カップラによってこの受信機における２つのアームに分割される。システムに対するフォトカウント分布（distribution）は、従来システムの理想的でない偏波の場合について図２に示したものと同じである。しかしながら、主ピークと付随のピーク振幅の割合は、伝送ファイバから出力された全ての偏波状態に対して２である。これは図４に示された状況から容易に理解でき、図４では、直交するパルス対の一方（たとえば、先行する対）が、受信機への入力部で偏波素子によって完全に遮断されている。偏波がドリフトすると、全体的なカウント率が一定のままであり、先行するパルス対から影響の減少が、偏波素子によって前に遮断された後のパルス対からの影響の増加によって補償される。先行するパルス対と後のパルス対との間の２次遅延ｔ2は、ＡＰＤ応答時間ｔdより小さく選択されているため、フォトカウントピークの全体的な形状は変わらない。ｔ2＜ｔdを維持することによって、フォトカウントウインドウがそれらの最小値（すなわちτd）に維持され、したがって信号対雑音比が最大にされる。このシステムでは、鍵伝送率および背景エラーレートが伝送ファイバ中の偏波ドリフトから独立しており、したがって積極的な偏波制御は全く必要ないことに留意されたい。図４に示されている別の偏波制御装置は、送信機および受信機中の短い長さのファイバが重大な環境乱れから隔離することが原理上はできているので、静的である。しかしながら、もっとコンパクトで安定した構造のために、偏波保存（ＰＭ）ファイバで送信機および受信機中の全てのファイバを置換したり、あるいは構造全体を単一のプレーナシリカチップ導波体（導波路）から製造する（以下詳細に説明する）ことができる。
図１０は、本発明を使用するシステムの別の実施形態を示す。この実施形態では、ＰＭファイバを使用してパルスを複製する代りに、送信機変調セクションの出力側の５０／５０ファイバカップラの、この場合以外は使用されない第２の出力ポートから複製信号が得られる。その後、この第２の出力ポートから得られた複製信号は、偏波制御装置を含むブランチ101を通過し、この偏波制御装置がもとの信号に直交するようにその偏波状態を変化させる。その後、複製信号は、もとの信号に関して短い遅延を付加されて、別の５０／５０ファイバカップラを介して主信号路に再び結合される。この付加的な遅延によって、２次遅延ｔsが生成される。
上述されたシステムを構成する際に、パルスが異なる伝送路を通過するときに、異なる偏波状態でのそれらパルスの相対的な位相シフトを考慮する必要がある。各５０／５０ファイバカップラは、π／２の相対位相シフトをその２つの出力に与える。２つの直交する方向に偏波された信号に対する交差結合（cross-coupling）の数を合計し、π／２と乗算することによって、基準面に平行に偏波したパルスは、カップラによる相対位相シフトπを有し、一方直交する方向に偏波されたパルスは、相対位相シフト０を有することが認められる。相対的な位相シフトは、受信機においてそれ以上導入されない。これは、平行に偏波された対に対して干渉が構成（積極）的である場合、直交する方向に偏波された対に対してそれは破壊的（消極）であることを意味する。したがって、図７に示されているように、平行な対および直交する対のそれぞれによる２つのピークを区別し、直交するチャンネルによって運ばれたデータに関して平行なチャンネルによって運ばれた鍵データを反転する必要がある。
このシステムを構成するために使用される技術は一般に、本出願人の上述された国際特許出願に記載されたものと類似していてもよい。とくに、送信機ソースは、利得切替え（gain-switched）半導体レーザを含んでいてもよく、このレーザはＤＦＢまたはファブリィ・ペローデバイスおよび減衰器であってもよい。その受信機中の単光子検出器は、文献（PD Townsend et al,Electronics Letters,29,634（1993））に記載されているように、ブレークダウンを越えてバイアスされ、かつ受動クェンチング状態においてガイガー（Geiger）モード（ガイガカウンタの動作と似た動作モードで、各入射フォトンがＡＰＤのなだれをトリガする）で動作するアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）であってもよい。４００乃至１０６０ｎｍの波長範囲では、ＳＰＣＭ−１００−ＰＱ（GE Canada Electro Optics）のようなシリコンＡＰＤが使用可能であり、一方１０００乃至１５５０ｎｍの波長範囲では、ＮＤＬ  ５１０２ｐまたはＮＤＬ５５００ｐ（ＮＥＣ）のようなゲルマニウムまたはＩｎＧａＡｓデバイスを使用することができる。図８に示されているように、受信機はまたマイクロプロセッサ制御装置を含んでいてもよく、このマイクロプロセッサ制御装置は弁別器／増幅器回路を介してＡＰＤの出力を受信し、また適切な場合、ビット値を反転する。制御装置はまたＡＰＤバイアス電源だけでなく、電子フィルタ84および局部発振器85を含んでいてもよい。電子フィルタは、伝送リンクを介して伝送された同期パルスに応答してＡＰＤによって出力された信号の周波数スペクトルの第１の高調波を分離するために使用される。これは、局部発振器をロックするために使用されるパルス周波数で正弦波信号を発生する。この局部発振器の出力は制御装置82で受信され、量子伝送対象に対するタイミング基準を提供する。
送信機および受信機における位相変調器は、たとえば１乃至１０ＭＨｚで動作するリチウムナイオベートまたは半導体位相変調器である。適切なリチウムナイオベートデバイスは、ＩＯＣ  ＰＭ１３００として市販されている。
送信機および受信機における使用に適し、かつ上述した実施形態の最後のものにおいて、２次遅延インターバルで分離された直交パルスを生成するために使用されるブランチで使用するのに適した偏波制御装置は、ＢＴ＆Ｄ／ＨＰ  ＭＣＰ１０００として市販されているものである。５０／５０カップラは、ＳＩＦＡＭ社からモデルＰ２２Ｓ１３ＡＡ５０として販売されている融着ファイバデバイスである。
この送信機および受信機の構造は、モノリシックまたはハイブリッド集積技術を使用して製造されてもよい。この方法では、必要とされる素子の全てを結合して単一のコンパクトなデバイスまたはチップにするために半導体マイクロ製造技術が使用される。このデバイスの安定性はまた改良され、製造費用が潜在的に大幅に減少される。送信機および受信機において光路を規定するために必要なプレーナ導波体構造は、たとえばＳｉまたはＩｎＧａＡｓＰ合金、ガラス、ＬｉＮｉＯ3、あるいはあるハイブリッド構造等の半導体上に配置されてもよい。図１１は、シリコン基体上に製造されたシリカガラス導波体の断面を示しており、それはこの適用に対する有望な候補である。この構造は、ＳｉＯ2コア110と、ＳｉＯ2クラッディング111と、シリコン基体112とを含んでいる。この構造において、ＳｉＯ2導波体のコアおよびクラッド領域の屈折率は、たとえば堆積中にＰ，ＢまたはＧｅのようなドーパントの含有によって制御される。適切なプレーナシリカ製造技術およびデバイス構造は、文献（M.Kawachi氏によるOptical and Quantum Electronics,22,391（1990）およびT.Miyashita氏他によるSPIE volume 993,Integrated Optical Engineering VI（1988））に記載されている。
図１２、１３，１４には、プレーナ導波体構造上に配置された送信機および受信機の実施形態が示されている。この送信機において、レーザと吸収変調器とは、示されているように導波体構造に直接結合されてもよいし、あるいは隔てて配置され、ファイバによって結合されてもよい。その代りに、半導体ベースの構造において、これらの素子はプレーナチップ中に直接製造されてもよい。吸収変調器は、ｃｗレーザソースからパルスを生成して、受信機を出たパルスの平均光子数（一般に〜０．１）を制御する外部変調器として使用できる。なお、この吸収変調器は１以上の半導体電気・吸収デバイスから構成されていてもよい。このプレーナ構造がシリカ導波体を使用して製造された場合、活性の位相変調器が熱光学効果または電気・光効果のいずれかを使用でき、この電気・光効果は電界ポーリングによってガラス中でゼロでないようにできる［たとえば文献（X.-C.Long et al.,Photonics Technology Letters,8,227,1996）を参照］。熱光学効果の場合、位相変調器駆動電極は薄膜ヒータの形態を取り、そのデバイスは、導波体および基体材料の熱伝導率によって制限される〜１０ｋＨｚの最大動作周波数をもてる可能性がある。他方、与えられた電界を介して位相変調が発生する有極性（poled）デバイスでは、１ＧＨｚよりはるかに高い動作周波数が見込まれる。その代りに、導波体は、Ｓｉのような半導体から製造されてもよく、この場合、位相変調に必要な屈折率変化は、導波体の１つ上に、またはその近くに製造された電気的に活性のデバイス中のキャリア分布を変化させることによって発生される。図１２に示されている送信機は、ある長さの外部ＰＭファイバを使用して、第１のファイバベースの実施形態に対して上述した直交方向に偏波されかつ時間遅延された２つのチャンネルに出力パルスを分離する。図１２において、示されている別の素子は、レーザ121、吸収変調器122、Ｙカップラ125、遅延ループ124および電極123を含んでいる。図１３に示されている送信機において、外部ＰＭファイバを使用する代りに、この機能は、一方のアーム中に偏波モード変換器130（ＴＥ／ＴＭまたはＴＭ／ＴＥ）を含む付加的な遅延段によってプレーナ導波体チップ自身の上で実行される。ＴＥ／ＴＭモード変換は、ＬｉＮｉＯ3導波体構造において実証されており、この効果に基づく偏波変調器はE-Tek Dynamics社からモデルＡＯＰＣ−１３１０／１５５０として市販されている。図１４に示されている受信機の構造は、入力導波体中に偏波素子を含んでいることは別として、送信機の構造と相補的である。この偏波素子140は、金属膜オーバーレイとして組立てられ、導波体コアに十分に近接していて発生する金属のプラズモンモードに結合することができる。この結合は高度に偏波選択性であるため、直交モードの一方が強く減衰される。この効果に基づく偏波素子は、現在Sifam社からモデルＳＰ１３／１５として市販されている。ＡＰＤ検出器144は、図１４に示されている干渉計の導波体の出力上で直接変調されることができ、あるいは、代りに単一のＡＰＤが上述されたファイバベースの実施形態のように使用されるように、付加的な導波体遅延段がチップ上に含まれてもよい。図１４のデバイスはまた、電極142、遅延ループ141および方向性カップラ143を含んでいる。
上記の本発明の概要に示したように、本発明は、インコヒーレントであってもよい１対の単光子ソースを使用するシステムによって構成されてもよい。この構造は、図１５に示されている。この方式において、２次遅延、すなわちもとのパルスと複製パルスとの間の遅延は、２つのソース間の通路長の差によって設定される。換言すると、２次遅延は、レーザ１に接続された第１の入力ブランチ152と、レーザ２に接続された第２の入力ブランチ151との長さの差によって決定される。送信機アームの一方における位相変調器は、偏波独立性でなければならない。その入力ブランチは共に減衰器150を含んでいる。このような送信機構造を使用した場合、その受信機は図１に示されている従来の受信機と同じ設計を有することとなる。この受信機は、上述した他の実施形態のようにその入力に５０／５０カップラと、それに続く偏波素子フィルタを含むのではなく、偏波分割器を含んでいる。
説明を容易にするために、記載された例ではこれまで簡単なポイント・ツー・ポイントリンクが使用されているが、本発明はこの方式での使用に限定されず、実際、上記の本出願人の別出願の国際特許出願明細書に記載されているように多重アクセスネットワークによって使用されることが多い。図８はネットワーク上の異なる位置にある２個の受信機に送信機を結合するツリー構造を有するネットワークの一例を示す。本出願人の初期の特許出願明細書に記載されているように、単光子信号はネットワーク上でランダムにブランチし、この性質（behaviour）を使用して、異なる各鍵が異なる受信機に対して設定される。その受信機または各受信機への入力において偏波フィルタＰＦを使用して、第１の実施形態における偏波分割器の動作に類似した方法で２つの異なる偏波成分を分解する。
単光子信号が送信機とその受信機または各受信機の間を通過した後、この送信機と受信機は公開状態（public discussion phase）に入り、このフェーズにおいては、個々の単光子信号、並びにそれらの送信状態および受信状態は、それらが検出および伝送された時間スロットによって識別される。このプロセスの終了時、この送信機およびこの受信機または各受信機は、互いに秘密の鍵を所有している。ネットワーク上に１以上の受信機が存在する場合、プライバシー増幅によって適当にほぼゼロに減少することができる小さい確率を除いて、各端末はそれ自身を除く他の鍵のことは全く知らない。
この公開状態の後、この鍵が暗号化に使用され、その送信機とその受信機または各受信機との間においてデータを安全に伝送することができる。
上述した公開状態は、恐らく明るい多光子信号を使用して同じネットワークによって実行されてもよいし、あるいは別の独立した通信チャンネルによって実行されてもよい。プライバシー増幅は、文献（C H Bennet et al”Experimental Quantum Cryptograpy”,J.Cryptograpy,5,3（1992））に記載されている過程である。プライバシー増幅によりその送信機および受信機は確実に同じ鍵で終わり、また盗聴者または別の端末に漏洩した鍵情報は、任意に１ビットの適当なほんの一部である。上で述べた異なる段階は、以下のように要約することができる：
（ｉ）送信機（アリス）および受信機（ボブ）が生伝送を行って、異なるベースからのビットを廃棄する。
（ii）ランダムに選択されたサンプルの公開比較を行い、エラーレートを評価する。
（iii）公開エラー補正過程がエラー補正鍵を生成する。
（iv）盗聴者（イブ）がその鍵についてどの程度の情報を有しているかを評価する。
（v）イブが僅かな情報を有している目的とする秘密鍵を取出す（distil）ためにプライバシー増幅を行う。
エラーレートは段階iiiでも測定されるので、段階iiは随意に省略されてもよい。上述した例において、盗聴者の存在または不存在を判断するために使用する統計は、単に段階iiおよびiiiの少なくとも一方において測定されるエラーレートであってもよい。その後、これを予め定められたしきい値レベルと比較する。しかしながら、さらに複雑な別の統計を使用してもよい。たとえば、本出願人の別出願ＷＯ９６／０６４９１号明細書に記載されているように、一致検出を使用してもよい。最も簡単なものでは、統計的なテストにより、カウント率が予測したものよりそれ程低くないことをチェックしてもよい。
図９は、上記の段階と、送信機（アリス）と受信機（ボブ）との間のデータの流れとを示すフロー図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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