(57)【要約】【課題】  正規利用者の持つべき装置が従来技術より簡単な装置構成で済む、量子暗号装置を提供することにある。【解決手段】  量子ビットの情報担体となる光子を発生する光源と、前記光源にて発生した光子を複数の伝搬路にランダムに分岐する分岐カップラーと、前記複数の伝搬路のそれぞれについて伝搬する光子の有無を非破壊にて検出する光子数非破壊測定装置と、複数の伝搬路のうちの光子が通過した伝搬路に依存して非直交４状態に準備された２連光子パルスを単一の伝送路に送出する光子パルス状態準備手段と、を有する。【選択図】  図１
2009147432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ビットの情報担体となる光子を発生する光源と、
前記光源にて発生した光子を複数の伝搬路にランダムに分岐する分岐カップラーと、
前記複数の伝搬路のそれぞれについて伝搬する光子の有無を非破壊にて検出する光子数非破壊測定装置と、
複数の伝搬路のうちの光子が通過した伝搬路に依存して非直交４状態に準備された２連光子パルスを単一の伝送路に送出する光子パルス状態準備手段と、
を有する量子暗号送信器。
【請求項２】
請求項１記載の量子暗号送信器において、
前記光子パルス状態準備手段が前記複数の伝搬路と単一の伝送路との間に設けられ、
ｍを整数、ｎを干渉系導波路の実効屈折率として、長短尺光路差が互いに（ｍ＋１／２）λ／２ｎ異なる、すなわち一方の干渉系の長短尺光路差をΔＬとすれば、他方の干渉系の長短尺光路差がΔＬ＋（ｍ＋１／２）λ／２ｎである２組の非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路を並列に接続した光学回路により構成される量子暗号送信器。
【請求項３】
請求項１記載の量子暗号送信器において、
前記光子パルス状態準備手段が前記複数の伝搬路と単一の伝送路との間に設けられ、
平面光回路で構成された非対称マッハツェンダー干渉系、光学遅延回路、およびそれらを結合する光カップラーにより構成される量子暗号送信器。
【請求項４】
請求項１記載の量子暗号送信器において、
前記光子パルス状態準備手段が前記複数の伝搬路と単一の伝送路との間に設けられ、
その具備する長尺および短尺光路に独立な伝搬路が結合された非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路により構成される量子暗号送信器。
【請求項５】
請求項１記載の量子暗号送信器において、
前記光子パルス状態準備手段が前記複数の伝搬路と単一の伝送路との間に設けられ、
前記複数の伝搬路より出力される光子の偏波面をTE偏波またはTM偏波となるように調整する偏波面コントローラと、
前記ＴＥ偏波光とＴＭ偏波光を前記非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路の２つの入力ポートに結合する２組の偏波ビームスプリッターと、
前記偏波ビームスプリッターの出力光路が結合され、ＴＥ偏波光に対する長短尺光路差とＴＭ偏波光に対する長短尺光路差が（ｍ＋１／２）λ／２ｎ異なるように制御された非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路により構成される量子暗号送信器。
【請求項６】
請求項１記載の量子暗号送信器において、
前記光子パルス状態変調手段が前記複数の伝搬路と単一の伝送路との間に設けられ、
前記複数の伝搬路より出力される光子の偏波面をTE偏波またはTM偏波となるように調整する偏波コントローラと、
前記偏波コントローラから出力されたＴＥ偏波光とＴＭ偏波光を一つの出力光路に結合する２組の偏波ビームスプリッターと、
前記偏波ビームスプリッターの出力光路の出力光の偏波を斜め偏波（TE+TMまたはTE-TM）に変換する偏波コントローラと、
前記偏波ビームスプリッターから出力されたTEおよびTM偏波光子ならびに前記偏波コントローラーから出力された斜め偏波光子を入力し、ＴＥ偏波光に対する長短尺光路差とＴＭ偏波光に対する長短尺光路差が（ｍ＋１／２）λ／ｎ異なるように制御された非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路と、
前記非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路の出力ポートに接続され、その出力光の偏波面を制御する偏波面コントローラおよび特定偏波光のみを選択的に透過する偏波選択素子により構成される量子暗号送信器。
【請求項７】
請求項１記載の量子暗号送信器において、
前記光子パルス状態準備手段が前記複数の伝搬路と伝送路以前に設けられ、
前記光源にて発生した光子の偏波を斜め偏光状態（TE+TMまたはTE-TM）になるように制御する偏波コントローラーと、
前記偏波コントローラーから出力された斜め偏波光子を入力し、ＴＥ偏波光に対する長短尺光路差とＴＭ偏波光に対する長短尺光路差が（ｍ＋１／２）λ／ｎ異なるように制御された非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路と、
により構成され、かつ
前記複数の伝搬路の下流に、非直交偏波状態（TE/TM/TE+TM/TE-TM）を選択して透過させる４種の偏波選択素子と、
前記偏波選択素子出力を合波する光カップラーと、
を有する量子暗号送信器。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の量子暗号送信器を備えた量子暗号装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号装置、特に光ファイバー通信により暗号秘密鍵を共有する量子暗号鍵配布を行う量子暗号送信器に関する。
【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必要性が高まっている。
【０００３】
現在、DES（データ暗号化規格：Data Encryption Standard）暗号のような共通鍵方式やRSA（R. Rivest、A. Shamir、L. Adelman）暗号のような共通鍵方式やRAS暗号をはじめとする公開鍵方式が広く用いられている。しかし、これらは「計算量的安全性」にその基盤を置いている。
【０００４】
つまり、現行の暗号方式は計算機ハードウェアと暗号解読アルゴリズムの進歩に常に脅かされている。特に銀行間のトランザクションや軍事・外交にかかわる情報などの極めて高い安全性が要求される分野では原理的に安全な暗号方式が実用になればそのインパクトは大きい。
【０００５】
情報理論で無条件安全性が証明されている暗号式にワンタイムパッド法がある。ワンタイムパッド法は通信文と同じ長さの暗号鍵を用い、暗号鍵を1回で使い捨てることが特徴である。
【０００６】
非特許文献１（ベネット（Bennett）、ブラッサード（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)））で、現在ＢＢ８４プロトコルとして広く知られている、ワンタイムパッド法に使用する暗号秘密鍵を安全に配送する具体的なプロトコルがベネット（Bennett）らによりはじめて提案された。これを契機に量子暗号の研究が盛んになっている。
【０００７】
量子暗号は物理法則が暗号の安全性を保証するため、計算機の能力の限界に依存しない究極の安全性保証が可能になる。現在多く検討されている量子暗号装置では一ビットの情報を単一光子の状態にエンコードして伝送する。これは、光子が他の量子系に比べると環境による擾乱に強いと同時に、既存の光ファイバー通信技術の活用により長距離の暗号鍵配布が期待できるためである。
【０００８】
本発明の基盤であり、理論的にその安全性が証明されている非特許文献１に記載されている４非直交状態を用いる量子暗号鍵配付プロトコル（ＢＢ８４と呼ばれる）では、送信者はあらかじめ定められた光子の２種の非直交な相補的基底（不確定な関係にある変数の組：例えば位置と運動量など）のひとつを変調基底としてランダムに選択し、鍵となるビットデータを選択した変調基底に属する２直交状態（古典的に区別可能な状態）により変調して伝送する。
【０００９】
受信者は到着光子をランダムに選択する復調基底に適合した復調方法で復調し、その復調結果を鍵となるビットデータの候補として記録する。送受信者は相補的基底のいずれを変復調に用いたかを、すべての量子鍵（暗号鍵が変調された光子）について公開通信路を用いて照合し、変復調基底が合致した光子に関するビットデータのみを選別して鍵の候補とする。
【００１０】
盗聴行為は量子力学的状態に擾乱を与え、正規送受信者の選別鍵中のエラーから漏洩情報量が推定できるようにプロトコルが設計されている。盗聴行為がなければ漏洩情報量はゼロであり、選別鍵中のエラーはゼロである。選別鍵中のエラー率をサンプリング法により測定し、測定したエラー率がしきい値より小さければ、選別鍵から安全な秘密鍵を抽出することが可能であることが公知である。
【００１１】
このような情報通信に用いられる量子状態はしばしば量子情報と呼ばれる。量子情報を担う量子力学的２自由度系は量子ビットと呼ばれ、それは数学的にはスピン１／２系と等価である。以下、担体となる物理系が光子の場合について、従来技術を記述する。
【００１２】
本発明に関わる、光子を量子ビット担体とし長距離伝送のため光ファイバーを伝送路として用いる暗号鍵配布装置について、以下に従来技術を説明する。光子を用いた量子暗号装置については、非特許文献２（ツビンデン（Zbinden）ほか著「Experimental Quantum Cryptography」、「INTRODUCTION TO QUANTUM COMPUTATION AND INORMATION（ロー（Lo）ら編著）」（World Scientific、１９９８年出版）、１２０ページ）、非特許文献３（エカート（Ekert）ほか著「Quantum Cryptography」、  「The Physics of Quantum Information（ボウメスター(Bouwmeester)ら編著）」（Springer、２０００年出版）、１５ページ）、非特許文献４（ジサン（Gisin）ほか著「Quantum Cryptography」  レビュー・オブ・モダン・フィジックス（Rev. Mod. Phys.）、７４号（２００２年出版）、１４５−１９５ページ）に詳細な説明がある。
【００１３】
非特許文献１では、光子の持ちうる２つの偏波状態に情報をエンコードする、偏波コーディングと呼ばれる量子暗号装置の実装が提案された。しかしながら、偏波コーディングには伝送路中の偏波回転の実時間制御および補償が必要となるため、光ファイバーを伝送路として用いる長距離暗号鍵配布システムの実装方法としてはあまり使われない。
【００１４】
長距離暗号鍵配布システムとしては、２連微弱光パルス間の相対位相に情報をエンコードする、位相コーディングと呼ばれる量子暗号装置の実装がやはりベネットらにより提案され、実現されている。
【００１５】
図７は非特許文献２〜４に記載がある、コヒーレント微弱光パルスを用いた位相コーディングによる量子暗号装置の代表的実装例を示している。この装置では、２つの非対称マッハツェンダー干渉系を光ファイバー伝送路で直列に連結した構造の光学干渉系が用いられる。
【００１６】
送信部に装備された微弱レーザ光源７１で発生した微弱な短光パルスを、送信側の非対称マッハツェンダー干渉系７２に入射することにより、光ファイバー伝送路上にその長短尺光路差だけ空間的に分離したコヒーレント２連微弱光パルス７８を準備する。
【００１７】
ここで、コヒーレントという言葉は、長短尺光路差の明確に定義された非対称マッハツェンダー干渉系７２により２連微弱光パルス７８の２つのパルスの間に相対位相が明確に定義できることを意味する。
【００１８】
２連微弱光パルス７８は光ファイバー伝送路７３上を伝送中に擾乱を受けるが、それらの相対的位相関係や偏波面の関係は保存される。受信側の非対称マッハツェンダー干渉系７４により、２連微弱光パルス７８は３連パルス的光子出力７９に変換され、下流側の２つのポートに出力される。
【００１９】
光子検出器７５により、非対称マッハツェンダー干渉系７４の２つの下流ポートに出力される３連パルス的光子出力７９の中央の光パルス中に含まれる光子が０か１かを識別し、記録する。
【００２０】
３連パルス的光子出力７９のうち、中央の光パルスには、送信部で非対称マッハツェンダー干渉系の長尺を通り受信部で短尺を通ってきた光パルスと、送信部で短尺を通り受信部で長尺を通ってきた光パルスが寄与し、これら２つの寄与の干渉により２つの出力ポートへの強度比は２連微弱光パルス７８の光学遅延（相対的な位相）に正弦波関数的に依存する。
【００２１】
上記の光学干渉システムにおいて２連微弱光パルス７８に光学遅延（相対的な位相）に変調を与えることにより、量子暗号の原理に基づく暗号鍵配布を行うことができる。この目的のため、光パルスが非対称マッハツェンダー干渉系７２を通過中に内包された位相変調器７６で｛０、π／２、π、３π／２｝の４値の位相変調を行い、光ファイバー７３伝送後の２連パルスが非対称マッハツェンダー干渉系７４を通過中に内包された位相変調器７７で｛０、π／２｝の２値の位相変調を行う。
【００２２】
非対称マッハツェンダー干渉系７２および７４における光学遅延を適正に調整することにより、非特許文献１に提案された非直交４状態を用いる量子暗号鍵配布プロトコルを実行し、安全な鍵配布を行うことが可能である。
【００２３】
位相コーディングに基づく量子暗号装置は、光ファイバー伝送路との相性も良く、長距離鍵配布が可能であるというメリットがあるが、送受信者がそれぞれ持つ非対称マッハツェンダー干渉系の相対光学遅延を光波長なみの精度で維持しなければならないという問題がある。
【００２４】
これら送受信者に分散して配置された干渉系の光学遅延は、温度変化その他の原因により独立にゆらいだりドリフトしたりするため、光干渉効果は容易に消失する。この問題を解決するためには、両干渉系の相対光学遅延変化を測定し、測定結果をフィードバックして相対光学遅延を一定に維持するアクティブな制御装置が必要となる。このような測定装置はそれ自体がシステムを複雑化するだけではなく、測定に用いる参照光がシステムノイズを増加させ、量子暗号装置の性能劣化の原因となる。
【００２５】
近年、上記のような問題を解決するため、非特許文献５（南部ほか著「BB84 Quantum Key Distribution System Based on Silica-Based Planar Lightwave Circuits」  ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Jpn J. Appl. Phys.）、４３号（２００４年出版）、Ｌ１１０９ページ）、非特許文献６（木村ほか著「Single-photon Interference over 150 km Transmission Using Silica-based Integrated-optic Interferometers for Quantum Cryptography」  ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Jpn J. Appl. Phys.）、４３号（２００４年出版）、Ｌ１２１７ページ）、非特許文献７（南部ほか著「One-way Quantum Key Distribution System based on Planar Lightwave Circuit」  ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Jpn J. Appl. Phys.）４５号、６Ａ巻（２００６年出版）、５３４４−５３４８ページ）および特許文献１（特開2003-249928号公報）にあげられるように、平面光回路（PLC: Photonic Lightwave Circuit）技術を応用した量子暗号装置が考案され開発されている。
【００２６】
非対称マッハツェンダー干渉系をシリコン基板上にパターニングで形成した光導波路で作製することにより、外乱により影響を受けることのない安定な光学干渉系を、温度制御というパッシブな制御のみによって実現することができ、低雑音のシステムを構築できるというメリットがある。
【００２７】
PLCを用いた実装の場合、先に示したような位相変調器を内包した低損失な非対称マッハツェンダー干渉系を製作することは現在の技術では容易ではない。コスト増は問題としないとしても、受信側デバイスの光学損失の増加は、微弱光を情報担体として用いる量子暗号装置の性能劣化に直結するため、許容できない問題である。この問題を解決するため、位相変調器を非対称マッハツェンダー干渉系の外部に配置した、図８に示したような量子暗号装置が考案され、開発されている。
【００２８】
図８に示す量子暗号装置の例では、送信部に装備された微弱レーザ光源８１で発生した微弱な短光パルスを送信側のPLCにより構成された非対称マッハツェンダー干渉系８２に入射することより、光ファイバー伝送路上にその長短尺光路差だけ空間的に分離したコヒーレント２連微弱光パルス８９を準備する。
【００２９】
２連微弱光パルス８９は光ファイバー伝送路８３上を伝送する。受信側の非対称マッハツェンダー干渉系８４により、２連微弱光パルス８９は３連光パルス９０に変換され、下流側の２つのポートに出力される。光子検出器８５により、非対称マッハツェンダー干渉系８４の２つの下流ポートに出力される３連パルス的光子出力９０の中央の光パルス中に含まれる光子の有無が識別されて記録される。
【００３０】
送信側の非対称マッハツェンダー干渉系８２の下流に直列に挿入した位相変調器８６、８７に、それぞれの変調器の２連微弱光パルス８９の通過時に同期してパルス的な変調信号を印可することにより、２連微弱光パルス８９の一方のパルスに選択的に｛０、π／２、π、３π／２｝の４値の位相変調を与え、もって２連微弱光パルス８９の光学遅延（相対位相）に４値変調を与える。
【００３１】
受信側の非対称マッハツェンダー干渉系８４の上流に直列に挿入した位相変調器８８に、２連微弱光パルス８９の通過時に同期してパルス的な変調信号を印可することにより、２連微弱光パルス８９の一方のパルスに選択的に｛０、π／２｝の２値の位相変調を与え、もって２連微弱光パルス８９の光学遅延（相対位相）に２値変調を与える。
【００３２】
非対称マッハツェンダー干渉系８２および８４における光学遅延を調整することにより、図７の量子暗号装置と同様に非特許文献１に提案された非直交４状態を用いる量子暗号鍵配布プロトコルを実行し、安全な鍵配布を行うことが可能である。
【００３３】
一方、非特許文献５および特許文献１で公知となっている図９に示す量子暗号装置の例では、送信部に装備された微弱レーザ光源９１で発生した微弱な短光パルスを送信側のPLCにより構成され、対称マッハツェンダー干渉系９２とカスケードに接続された非対称マッハツェンダー干渉系９３に入射することより、光ファイバー伝送路上に非対称マッハツェンダー干渉系９３の長短尺光路差だけ空間的に分離したコヒーレント２連微弱光パルスまたはそれらの構成要素である先進・遅延いずれかの微弱光パルス９８を準備する。
【００３４】
これらの微弱光パルス９８は光ファイバー伝送路９４上を伝送され、受信側の非対称マッハツェンダー干渉系９５を通過後、その下流側の２つのポートへの光子到着時間が、送信装置に同期して動作する光子検出器９６により観測され、長短尺光路差相当の時間分、分離された３つのタイムスロットのいずれであったかが識別・記録される。
【００３５】
送信側の対称マッハツェンダー干渉系９２の一方の光路には位相変調器９７が挿入されており、微弱レーザ光源９１から入射された微弱光パルスは｛０、π／２、π、３π／２｝の４値から選択された位相変調を受ける。
【００３６】
付与される位相変調が｛０、π｝の場合には光パルスは非対称マッハツェンダー干渉系９３の長尺又は短尺のみを伝搬し、位相変調値に依存して前後いずれかの光パルス９８が光ファイバー伝送路９４上に準備される。
【００３７】
付与される位相変調が｛π／２、３π／２｝の場合には微弱光パルスは非対称マッハツェンダー干渉系９３の長短尺の両方を伝搬し、位相変調値に依存して相対位相がπ変化するコヒーレント２連光パルス９８が光ファイバー伝送路９４上に準備される。
【００３８】
位相変調器９７における位相変調値が｛０、π｝の場合には、中央のタイムスロットに出現する光子の出力ポートと位相変調値が相関し、位相変調器９７における位相変調値が｛π／２、３π／２｝の場合には、第１と第３のタイムスロットに出現する光子のタイムスロットと位相変調値が相関するように、非対称マッハツェンダー干渉系９３および９５における光学遅延を適切に調整することにより、非特許文献１に提案された非直交４状態を用いる量子暗号鍵配布プロトコルを実行し、安全な鍵配布を行うことが可能である。
【００３９】
図７および図８に示した量子暗号装置には、以下のような問題がある。
【００４０】
鍵データ及び変調基底選択のため送信器の位相変調器７６や８６、８７で４値からランダムに選んだ位相変調を、復調基底選択のため受信器の位相変調器７７や８８で２値からランダムに選んだ位相変調を行う必要がある。このために送信器では２ビットの、受信器では１ビットの乱数列が必要になる。
【００４１】
セキュアな秘密鍵共有を行うためには、これらの乱数列は真性乱数列である必要がある。このような真性乱数列は熱雑音などの物理現象を用いる装置により生成することはできる。
【００４２】
高速な鍵共有のためには、例えばシステム動作速度を高める必要があるが、そのためには高速な真性乱数列の生成が必要となる。残念ながら、現状技術の真性乱数生成装置の乱数生成速度は高くないため、複数の装置を並列動作させるなどの方法を採用するしか生成速度の高速化の方法はなく、システムサイズの肥大化、コスト増および発熱・消費電力増加の要因となっていた。
【００４３】
また、プロトコルに従い到着光子に関する基底の照合を行う際、どの光子が受信器まで到着するかは確率事象であり予測がつかないため、送受信器内で基底の照合までの間、暫時記憶する必要がある。このために、莫大なサイズの記憶装置を用意し、かつ短時間のバースト的システム動作を繰り返す必要があり、このこともシステムサイズの肥大化、コスト増および発熱・消費電力増加の要因となっていた。
【００４４】
量子暗号装置の持つ上記のような問題点の一部は、図９に示されているシステム構成により解決される。
【００４５】
図９において、送信器は量子ビットの情報担体となる光子を発生する４組の微弱レーザ光源９１、１組の長尺および短尺光路を有する光導波路９２および非対称マッハツェンダー干渉系９３が光カップラー９４により共通の光伝送路９５に結合されている。
【００４６】
受信器は送信装置と同様の１組の長尺および短尺光路を有する光導波路９６および非対称マッハツェンダー干渉系９７が光カップラー９８により共通の光ファイバー伝送路９５に結合され、４組の出力ポートそれぞれには光子検出器９９が接続されている。
【００４７】
正規送信者は同一波長λのコヒーレント光を発生する４組の微弱レーザ光源９１からランダムにひとつの光源を選び、選ばれた光源から微弱な短光パルスを出射する。微弱レーザ光源９１においてLD00またはLD01が選択された場合、非対称マッハツェンダー干渉系９３の２つの入力ポートに入射された短光パルスは、入力ポートの選択に依存してπだけ相対位相の異なるコヒーレントな２連微弱光パルス（相対位相が明確に定義された２つの光パルス）となって出力ポート上に出力される。
【００４８】
一方、LD10またはLD11が選択された場合、１組の長尺および短尺光路を有する光導波路９２の導波路長を適切に調整することにより、該コヒーレント２連微弱光パルスと同一時間で入力ポートの選択に従って出射時間が変調された微弱光パルスを出力ポート上に準備することができる。
【００４９】
これらの２つの光回路の出力ポートを光カップラーで共通の光伝送路９５に結合することにより、微弱レーザ光源９１の選択に依存して、量子暗号鍵配布プロトコル実行に必要となる互いに相補的な基底系に属するコヒーレント２連微弱光パルスまたはそれらを構成する微弱光パルスのいずれかひとつからなる非直交光パルス９Ａをランダムに光伝送路９５上に準備することが出来る。
【００５０】
一方、受信器は送信器と同様の１組の長尺および短尺光路を有する光導波路９６および非対称マッハツェンダー干渉系９７を有し、それらの入力ポートは光カップラー９８により共通の光ファイバー伝送路９５に結合され、４つの出力ポートは４組の光子検出器９９に接続されている。
【００５１】
これら４つの出力ポートのうち、非対称マッハツェンダー干渉系９７から出力される３連光パルス９Ｂのうち、光学干渉に寄与する中央の光パルスに含まれる到着光子、長尺光導波路伝搬後の２連光パルスのうち前方パルスに含まれる到着光子、および短尺光導波路伝搬後の２連光パルスのうち後方パルスに含まれる到着光子が、送信装置に同期して動作する４組の光子検出器９９により検出記録される。
【００５２】
このとき、選択された光源９１が｛LD00またはLD01｝かつ光子検出器９９の到着光子が｛D00またはD01｝である場合（全事象の１／４）、および選択された光源９１が｛LD10またはLD11｝かつ光子検出器９９の到着光子が｛D10またはD11｝である場合（全事象の１／４）に選択された光源と光子検出された検出器が完全相関するように非対称マッハツェンダー干渉系９３または９７の光路遅延量を温度制御などの方法により制御することができる。
【００５３】
上記以外の光源選択と光子検出された検出器の組合せに関しては、両者の間には完全に相関がなく、秘密鍵生成には用いない。以上の動作は、非特許文献１に提案された非直交４状態を用いる量子暗号装置の必要十分条件を満たしており、提案されたプロトコルに従って無条件安全な秘密鍵を送受信者間で共有することが可能である。
【００５４】
上記に示された量子暗号装置においては、送信器では鍵データ及び変調基底選択のため４つの光源のランダムな選択を行う。この際に、２ビットの真性乱数列が必要となる。また同時に選択基底記憶のための莫大なサイズの記憶装置は必要である。
【００５５】
一方、受信器では光カップラー９８により復調基底がランダムかつ受動的に選択されるため、真性乱数列は不要である。また、それぞれの光子検出器に記録された到着光子記録は同時に復調基底の情報の記録となるため、莫大なサイズの記憶装置は不要である。従って上述した量子暗号装置の受信器に関わる問題点は、図９に示されているシステム構成により解決される。
【非特許文献１】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２】ツビンデン（Zbinden）ほか著「Experimental Quantum Cryptography」、「INTRODUCTION TO QUANTUM COMPUTATION AND INORMATION（ロー（Lo）ら編著）」（World Scientific、１９９８年出版）、１２０ページ
【非特許文献３】エカート（Ekert）ほか著「Quantum Cryptography」、  「The Physics of Quantum Information（ボウメスター(Bouwmeester)ら編著）」（Springer、２０００年出版）、１５ページ
【非特許文献４】ジサン（Gisin）ほか著「Quantum Cryptography」  レビュー・オブ・モダン・フジックス（Rev. Mod. Phys.）、７４号（２００２年出版）、１４５−１９５ページ
【非特許文献５】南部ほか著「BB84 Quantum Key Distribution System Based on Silica-Based Planar Lightwave Circuits」  ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Jpn J. Appl. Phys.）、４３号（２００４年出版）、Ｌ１１０９ページ
【非特許文献６】木村ほか著「Single-photon Interference over 150 km Transmission Using Silica-based Integrated-optic Interferometers for Quantum Cryptography」  ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Jpn J. Appl. Phys.）、４３号（２００４年出版）、Ｌ１２１７ページ
【非特許文献７】南部ほか著「One-way Quantum Key Distribution System based on Planar Lightwave Circuit」  ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Jpn J. Appl. Phys.）４５号（２００６年出版）、５３４４ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００５６】
上述の非特許文献２〜７に示された位相変調器を用いる量子暗号装置には、送信器、受信器の双方において真性乱数発生装置及び選択基底の記憶装置が必要であり、システムサイズの肥大化、コスト増および発熱・消費電力増加の要因となっている。
【００５７】
この問題の一部は、図９に示された装置により解消される。すなわち、受信器の真性乱数発生装置及び選択基底の記憶装置は不要となる。しかしながら、送信器の真性乱数発生装置及び選択基底の記憶装置は依然として必要であり、システムサイズの肥大化、コスト増および発熱・消費電力増加を完全に解決することは困難であった。
【００５８】
本発明は上記従来技術の抱える問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は正規利用者の持つべき装置をより簡単な装置構成で済む量子暗号装置、特にその送信器を実現する技術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】
【００５９】
本発明の量子暗号送信器は、量子ビットの情報担体となる光子を発生する光源と、
前記光源にて発生した光子を複数の伝搬路にランダムに分岐する分岐カップラーと、
前記複数の伝搬路のそれぞれについて伝搬する光子の有無を非破壊にて検出する光子数非破壊測定装置と、
複数の伝搬路のうちの光子が通過した伝搬路に依存して非直交４状態に準備された２連光子パルスを単一の伝送路に送出する光子パルス状態準備手段と、を有する。
【００６０】
本発明の量子暗号装置は、上記の量子暗号送信器を備えている。
【００６１】
特許文献１〜３に示された量子暗号装置の構成要素である量子暗号送信器共通の特徴は、用いられている光学回路中に量子暗号鍵配布プロトコルに必要とされる非直交４状態と一対一対応のある４つの光路が存在することにある。光カップラーによる光の受動的分岐を利用して、乱数発生装置無しに４つの光路にランダムに光子を送り込む。この際に、４つの光路中を伝搬する光子の有無を従来技術である光子数の量子非破壊測定により光子を壊すことなく観測し、ポジティブな結果を得たものについてのみ光子の伝搬ポートを記録することにより、対応関係から非直交４状態のどの状態が個々の光子に準備されたかを関知する。この情報は、秘密鍵の生成並びに変復調基底の照合のために必要である。これによって、装置の経済的技術的負荷であった真性乱数発生器並びに莫大な記憶装置を送信器から排除できる。
【発明の効果】
【００６２】
本発明によると正規利用者の持つべき装置の構造が簡単化でき、システムサイズの肥大化、コスト増および発熱・消費電力増加等の問題を解決できる。従って、非特許文献２〜７に開示された量子暗号装置に比べて、正規利用者の装置および装置運用の経済的技術的負担を大幅に軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６３】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００６４】
以下、図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００６５】
図１は本発明による量子暗号送信器の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００６６】
本実施形態の量子暗号送信器は、特許文献１に示された量子暗号装置に含まれる送信器を基盤にしており、量子ビットの情報担体となる光子を発生する光源１１、光子を４つの伝搬路にランダムに分岐する４分岐カップラー１２、それぞれの光路の光子伝搬の有無を観測・記録する光子数非破壊測定装置１３、相関光子パルス発生手段である２組の非対称マッハツェンダー干渉系１４および１５、これらを共通の光伝送路１７に結合する光カップラー１６により構成される。
【００６７】
図２は本発明による量子暗号送信器の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００６８】
本実施形態の送信装置は特許文献２に示された量子暗号装置に含まれる送信器を基盤にしており、量子ビットの情報担体となる光子を発生する光源２１、光子を４つの伝搬路にランダムに分岐する４分岐カップラー２２、それぞれの光路の光子伝搬の有無を観測・記録する光子数非破壊測定装置２３、相関光子パルス発生手段である、非対称マッハツェンダー干渉系２４、１組の長尺および短尺光路を有する光導波路を光カップラーで結合した構造を持つ光遅延回路２５、これらを共通の光伝送路２７に結合する光カップラー２６により構成される。
【００６９】
図３は本発明による量子暗号送信器の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００７０】
本実施形態の送信装置は、特許文献２に示された量子暗号装置に含まれる送信器を基盤にしており、量子ビットの情報担体となる光子を発生する光源３１、光子を４つの伝搬路にランダムに分岐する４分岐カップラー３２、それぞれの光路の光子伝搬の有無を観測・記録する光子数非破壊測定装置３３、相関光子パルス発生手段である、長尺および短尺光路に光導波路が結合された非対称マッハツェンダー干渉系３４からなり、光伝送路３５により受信器に接続される。
【００７１】
図４は本発明による量子暗号送信器の第４の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００７２】
本実施形態の送信装置は、特許文献１に示された量子暗号装置に含まれる送信器を基盤にしており、量子ビットの情報担体となる光子を発生する光源４１、光子を４つの伝搬路にランダムに分岐する４分岐カップラー４２、それぞれの光路の光子伝搬の有無を観測・記録する光子数非破壊測定装置４３、相関光子パルス発生手段である、４組の偏波面コントローラー４４、偏波を保持しつつ共通の光伝送路に結合する２組の偏波保持カップラーあるいは偏波ビームスプリッター４５、非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路４６、偏波面スクランブラーまたは偏光子４７により構成され、光伝送路４８により受信器に接続される。
【００７３】
図５は本発明による量子暗号送信器の第５の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００７４】
本実施形態の送信装置は特許文献３に示された量子暗号装置に含まれる送信器を基盤にしており、量子ビットの情報担体となる光子を発生する光源５１、光子を４つの伝搬路にランダムに分岐する４分岐カップラー５２、それぞれの光路の光子伝搬の有無を観測・記録する光子数非破壊測定装置５３、相関光子パルス発生手段である、４組の偏波面コントローラー５４、偏波を保持しつつ共通の光伝送路に結合する２組の偏波保持カップラーあるいは偏波ビームスプリッター５５、偏波コントローラー５６、非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路５７、偏波コントローラー５８、偏波選択素子５９により構成され、光伝送路５Ａにより受信器に接続される。
【００７５】
図６は本発明による量子暗号送信器の第６の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００７６】
本実施形態の送信装置は特許文献３に示された量子暗号装置に含まれる送信器を基盤にしており、量子ビットの情報担体となる光子を発生する光源６１、偏波コントローラー６２、非対称マッハツェンダー干渉系光回路６３、光子を４つの伝搬路にランダムに分岐する４分岐カップラー６４、それぞれの光路の光子伝搬の有無を観測・記録する光子数非破壊測定装置６５、偏波選択素子６６、４つの伝搬路を共通の伝搬路に結合する４合波光カップラー６７により構成され、光伝送路６８により受信器に接続される。
【００７７】
なお、光子数非破壊測定装置１３，２３，３３，４３，５３，６５のそれぞれは、各光路を伝搬する光子について非破壊測定を行うＱＮＤ（Quantum Non Demolition）１〜４を備えている。
【００７８】
以下、図を参照しながら本発明の６つの実施形態の動作について順次説明する。
【００７９】
図１に示した本発明の第１の実施形態において、正規送信者は光源１１により情報担体となる光子パルスを出射する。光子は４分岐カップラー１２により４つの伝搬路にランダムに分岐される。それぞれの光路の光子パルス伝搬の有無が光子数非破壊測定装置１３により観測・記録される。
【００８０】
光子は下流の２つの非対称マッハツェンダー干渉系１４および１５の４つの入力ポートの何れかに入射される。単一の非対称マッハツェンダー干渉系の２つの入力ポートに光子パルスを入射すると、入力ポートの選択に依存してπだけ相対位相の異なるコヒーレントな２連光子パルス（相対位相が明確に定義された２つの光子パルス）を出力ポート上に準備することができる。
【００８１】
ｍを整数、ｎを干渉系導波路の実効屈折率として、長短尺光路差が互いに（ｍ＋１／２）λ／２ｎ異なる、すなわち一方の干渉系の長短尺光路差をΔＬとすれば、他方の干渉系の長短尺光路差がΔＬ＋（ｍ＋１／２）λ／２ｎである２組の干渉系１４および１５（これらは、長短尺光路の伝搬光位相差がπ／２異なる）の出力ポートを光カップラーで共通の光伝送路１７に結合する。
【００８２】
干渉系１４および１５は、それぞれ光子入力ポートの４つの選択に依存して、０基底系：｛０、π｝およびπ／２基底系：｛π／２、３π／２｝で特徴づけられた相対位相をもつ、互いに相補的な基底系に属する２連光子パルスを光伝送路上に準備する。従って、光子数非破壊測定装置１３により観測・記録された光子パルスの伝搬光路と光伝送路上に準備された非直交４状態は相関する。
【００８３】
４分岐カップラー１２により光子パルスの伝搬光路は受動的かつランダムに選択されるので、乱数発生器無しに非直交４状態を用いる量子暗号に必要となる、相対位相が｛０、π／２、π、３π／２｝オフセットした４種のコヒーレント２連光子パルスからなる非直交光子パルス１８をランダムに光伝送路１７上に準備することが出来る。同時に光子数非破壊測定装置１３の記録と照合することにより、準備された状態がどの状態であったかを知ることができる。
【００８４】
次に、図２に示した本発明の第２の実施形態の量子暗号送信器の動作について説明する。
【００８５】
正規送信者は光源２１により情報担体となる光子パルスを出射する。光子は４分岐カップラー２２により４つの伝搬路にランダムに分岐される。それぞれの光路の光子パルス伝搬の有無が光子数非破壊測定装置２３により観測・記録される。
【００８６】
光子は下流の非対称マッハツェンダー干渉系２４、１組の長尺および短尺光路を有する光導波路を光カップラーで結合した構造を持つ光遅延回路２５の４つの入力ポートの何れかに入射される。
【００８７】
光子数非破壊測定装置２３のＱＮＤ１またはＱＮＤ２に光子の伝搬が記録された場合、非対称マッハツェンダー干渉系２４の２つの入力ポートに入射された光子パルスは、入力ポートの選択に依存してπだけ相対位相の異なるコヒーレントな２連光子パルス（相対位相が明確に定義された２つの光子パルス）となって出力ポート上に出力される。
【００８８】
一方、ＱＮＤ３またはＱＮＤ４に光子の伝搬が記録された場合、光遅延回路２５の２つの入力ポートに入射された光子パルスは、光遅延回路２５の作用により該コヒーレント２連光子パルスと同一時間で出射時間が入力ポートの選択に依存して変調された光子パルスとなって出力ポート上に出力される。
【００８９】
非対称マッハツェンダー干渉系２４と光遅延回路２５の出力ポートは光カップラー２６により共通の光伝送路２７に結合され、その光子入力ポートの４つの選択に依存して、互いに相補的な基底系に属する光子パルスを光伝送路上に準備する。
【００９０】
従って、光子数非破壊測定装置２３により観測・記録された光子パルスの伝搬光路と光伝送路上に準備された非直交４状態は相関する。４分岐カップラー２２により光子パルスの伝搬光路は受動的かつランダムに選択されるので、乱数発生器無しに非直交４状態を用いる量子暗号に必要となる、互いに相補的な基底系に属する非直交光子パルス２８をランダムに光伝送路２７上に準備することが出来る。同時に光子数非破壊測定装置２３の記録と照合することにより、準備された状態がどの状態であったかを知ることができる。
【００９１】
次に、図３に示した第３の実施形態の量子暗号送信器について説明する。
【００９２】
正規送信者は光源３１により情報担体となる光子パルスを出射する。光子は４分岐カップラー３２により４つの伝搬路にランダムに分岐される。それぞれの光路の光子パルス伝搬の有無が光子数非破壊測定装置３３により観測・記録される。
【００９３】
光子は下流の長尺および短尺光路に光導波路が結合された非対称マッハツェンダー干渉系３４の４つの入力ポートの何れかに入射される。光子数非破壊測定装置３３のＱＮＤ１またはＱＮＤ２に光子の伝搬が記録された場合、対応する２つの入力ポートに入射された光子パルスは、入力ポートの選択に依存してπだけ相対位相の異なるコヒーレントな２連光子パルス（相対位相が明確に定義された２つの光子パルス）となって出力ポート上に出力される。
【００９４】
一方、ＱＮＤ３またはＱＮＤ４に光子の伝搬が記録された場合、対応する２つの入力ポートに入射された光子パルスは、該コヒーレント２連光子パルスと同一時間で出射時間が入力ポートの選択に依存して変調された光子パルスとなって出力ポート上に出力される。
【００９５】
非対称マッハツェンダー干渉系３４の出力ポートは光伝送路３５に結合され、その光子入力ポートの４つの選択に依存して、互いに相補的な基底系に属する光子パルスを光伝送路上に準備する。従って、光子数非破壊測定装置３３により観測・記録された光子パルスの伝搬光路と光伝送路上に準備された非直交４状態は相関する。
【００９６】
４分岐カップラー３２により光子パルスの伝搬光路は受動的かつランダムに選択されるので、乱数発生器無しに非直交４状態を用いる量子暗号に必要となる、互いに相補的な基底系に属する非直交光子パルス３６をランダムに光伝送路３５上に準備することが出来る。同時に光子数非破壊測定装置３３の記録と照合することにより、準備された状態がどの状態であったかを知ることができる。
【００９７】
次に、図４に示した第４の実施形態の量子暗号送信器について説明する。
【００９８】
正規送信者は光源４１により情報担体となる光子パルスを出射する。光子は４分岐カップラー４２により４つの伝搬路にランダムに分岐される。それぞれの光路の光子パルス伝搬の有無が光子数非破壊測定装置４３により観測・記録される。
【００９９】
光子は下流の偏波面コントローラー４４により、その偏波面がTE偏波またはTM偏波となるよう調整される。光子パルスは、偏波ビームスプリッター４５を介して、非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路４６の２つの入力ポートのいずれかに入射される。
【０１００】
偏波ビームスプリッター４５は、平面光回路を構成するシリカ導波路の複屈折特性を利用して、ＴＥ偏波光とＴＭ偏波光に対して長短尺光路差が（ｍ＋１／２）λ／２ｎ異なる（すなわち長短尺光路の伝搬光位相差が両偏波でπ／２異なる）ように（ｍは整数、ｎはPLC導波路の平均屈折率）、荒い温度調整によって制御される。
【０１０１】
これにより、非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路４６の入力光子パルスの偏波面に依存して、０基底系：｛０、π｝およびπ／２基底系：｛π／２、３π／２｝で特徴づけられた相対位相をもつ、互いに相補的な基底系のいずれかに属するコヒーレントな２連光子パルスが光伝送路上に準備される（基底の選択）。同時に、非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路４６の入力ポートに依存してその相対位相はπだけ異なる（データの選択）。
【０１０２】
この結果、偏波ビームスプリッター４５および非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路４６は、光子入力ポートの４つの選択に依存して、０基底系：｛０、π｝およびπ／２基底系：｛π／２、３π／２｝で特徴づけられた相対位相をもつ、互いに相補的な基底系に属する２連光子パルスを光伝送路上に準備する。
【０１０３】
従って、光子数非破壊測定装置４３により観測・記録された光子パルスの伝搬光路と光伝送路上に準備された非直交４状態は相関する。準備された２連光子パルスの偏波面と選択基底の間残る相関は、偏波面スクランブラーまたはＴＥ／ＴＭに対し４５度傾いた直線偏波のみを透過する偏光子４７を通過することによって消去され、光伝送路４８に出力される。
【０１０４】
４分岐カップラー４２により光子パルスの伝搬光路は受動的かつランダムに選択されるので、乱数発生器無しに非直交４状態を用いる量子暗号に必要となる、相対位相が｛０、π／２、π、３π／２｝オフセットした４種のコヒーレント２連光パルスからなる非直交光子パルス４９をランダムに光伝送路４８上に準備することが出来る。同時に光子数非破壊測定装置４３の記録と照合することにより、準備された状態がどの状態であったかを知ることができる。
【０１０５】
次に、図５に示した第５の実施形態の量子暗号送信器について説明する。
【０１０６】
正規送信者は光源５１により情報担体となる光子パルスを出射する。光子は４分岐カップラー５２により４つの伝搬路にランダムに分岐される。それぞれの光路の光子パルス伝搬の有無が光子数非破壊測定装置５３により観測・記録される。
【０１０７】
光子は下流の偏波面コントローラー５４により、その偏波面がTE偏波またはTM偏波となるよう調整される。光子数非破壊測定装置５３のＱＮＤ１またはＱＮＤ２を伝搬した光子パルスは、偏波保持カップラーあるいは偏波ビームスプリッター５５を経由して、その偏波が斜め偏波（TE+TM、TE-TM）となるように偏波コントローラー５６で調整された後、非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路５７の一方の入力ポートに入射される。
【０１０８】
光子数非破壊測定装置５３のＱＮＤ３またはＱＮＤ４を伝搬した光子パルスは、偏波保持カップラーあるいは偏波ビームスプリッター５５を経由して、その偏波面を保持して非対称マッハツェンダー干渉系５７の他方の入力ポートに入射される。
【０１０９】
非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路５７は、平面光回路を構成するシリカ導波路の複屈折特性を利用して、ｍを整数、ｎをPLC導波路の平均屈折率としたときに、ＴＥ偏波光とＴＭ偏波光に対して長短尺光路差が（ｍ＋１／２）λ／ｎ異なる（すなわち長短尺光路の伝搬光位相差が両偏波でπ異なる）ように、荒い温度調整によって制御される。
【０１１０】
このとき、非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路５７の入力光子パルスの偏波がＴＥ偏波あるいはＴＭ偏波である場合には、その出力側ポートには入力偏波と同一偏波面を持つコヒーレント２連光パルスが出力される。
【０１１１】
一方、入力光子パルスの偏波が互いに直交する斜め偏光状態（TE+TM、TE-TM）であった場合、ＴＥおよびＴＭ偏波の等重率の重ね合わせからなり、互いに直交する偏波を持つコヒーレント２連光パルスが順次出力される。
【０１１２】
これらの２連パルスの一方のパルスのみを切り出すように、偏波コントローラー５８および偏波選択素子５９を調整する。これにより、偏波ビームスプリッター５５から偏波選択素子５９に至る光学系は、光子入力ポートの４つの選択に依存して、量子暗号鍵配布プロトコル実行に必要となる互いに相補的な基底系に属する、πだけ相対位相の異なるコヒーレントな２連光子パルス、または出射時間が入力ポートの選択に依存して変調された光子パルスを光伝送路上に準備する。
【０１１３】
従って、光子数非破壊測定装置５３により観測・記録された光子パルスの伝搬光路と光伝送路上に準備された非直交４状態は相関する。４分岐カップラー５２により光子パルスの伝搬光路は受動的かつランダムに選択されるので、乱数発生器無しに非直交４状態を用いる量子暗号に必要となる、互いに相補的な基底系に属する非直交光子パルス５Ｂをランダムに光伝送路５９上に準備することが出来る。同時に光子数非破壊測定装置５３の記録と照合することにより、準備された状態がどの状態であったかを知ることができる。
【０１１４】
最後に、図６に示した本発明の第６の実施形態の量子暗号送信器について説明する。
【０１１５】
正規送信者は光源６１により情報担体となる光子パルスを出射する。光子パルスはその偏波が導波路の固有光学軸のＴＥ偏波およびＴＭ偏波の線形結合である、斜め偏光状態（TE+TMまたはTE-TM）になるように偏波コントローラー６２によりその偏波が調整され、非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路６３の入力ポートに入射される。
【０１１６】
非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路６３は、シリカ光導波路の複屈折特性を利用して、ｍを整数、ｎをPLC導波路の平均屈折率としたときに、その構成要素である長短尺光路の光路長差がＴＥ偏波光とＴＭ偏波光では（ｍ＋１／２）λ／ｎ異なる（すなわち長短尺光路の伝搬光位相差が両偏波でπ異なる）ように、荒いデバイス温度調整によって制御される。
【０１１７】
この結果、非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路６３の出力ポートに出力される光子状態は、近似的に偏波モードと２連パルスの光子波束状態で張られる状態モード（Time-binモード）の、最大縺れ合い状態になる。このことを利用して、光子の偏波モードを適切に選択して特定の偏波成分をフィルタすることにより、それに一対一対応する任意のTime-bin状態を準備することが可能になる。
【０１１８】
４分岐光カップラー６４、光子数非破壊測定装置６５、偏波選択素子６６、４合波光カップラ６７はこの目的に使用する、受動的偏波フィルタである。４組の偏波選択素子６６はそれぞれ、出力パルス光の４種の非直交偏波状態（TE/TM/TE+TM/TE-TM）のうちひとつを選択して透過するように設定されている。
【０１１９】
従って、光子伝搬光路に依存して、出力パルス光の対応する偏波成分が選択透過される。４合波光カップラ６７は光子パルスが同一の偏波（例えばTE偏波）となるように偏波面を適切に変換した後、出力パルス光を光伝送路６８上に出力する。
【０１２０】
上記のような偏波面の変換は、４合波光カップラー６７を構成する偏波保存光ファイバー端面を適切に軸回転して結合することにより可能である。あるいは、偏波コントローラーを用いることも可能である。それぞれの光路の光子パルス伝搬の有無は光子数非破壊測定装置６５により観測・記録される。この受動的偏波フィルタの光子伝搬光路とフィルタされる偏波面には相関があるが故に、光子伝搬光路と生成されるTime-bin光子の間にも相関がある。
【０１２１】
従って、光子数非破壊測定装置６５により観測・記録された光子パルスの伝搬光路と光伝送路上に準備された非直交４状態は相関する。４分岐カップラー６４により光子パルスの伝搬光路は受動的かつランダムに選択されるので、乱数発生器無しに非直交４状態を用いる量子暗号に必要となる、互いに相補的な基底系に属する非直交光子パルス６９をランダムに光伝送路６８上に準備することが出来る。同時に光子数非破壊測定装置６５の記録と照合することにより、準備された状態がどの状態であったかを知ることができる。
【０１２２】
以上の本発明の実施形態の共通の特徴は、次の通りである。
【０１２３】
量子暗号装置の送信器からも真性乱数変調器および大がかりな記憶装置を排除できる。これに加えて従来技術の量子暗号受信器を用いると、量子暗号装置から真性乱数変調器および記憶装置を完全に排除できる。これによって、正規利用者の持つべき装置の構造が簡単化でき、システムサイズの肥大化、コスト増および発熱・消費電力増加等の問題を解決できる。従って、非特許文献２〜７に開示された従来技術の量子暗号装置に比べて、正規利用者の装置および装置運用の経済的技術的負担を大幅に軽減することができる。
【０１２４】
なお、実施形態として、量子暗号を送信する部分についてのみ説明したが、本発明には、各実施形態の送信器と、量子暗号を受信する受信器を備えた量暗号装置も当然含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】本発明による量子暗号送信器の第１の実施形態の構成を示す図。
【図２】本発明による量子暗号送信器の第２の実施形態の構成を示す図。
【図３】本発明による量子暗号送信器の第３の実施形態の構成を示す図。
【図４】本発明による量子暗号送信器の第４の実施形態の構成を示す図。
【図５】本発明による量子暗号送信器の第５の実施形態の構成を示す図。
【図６】本発明による量子暗号送信器の第６の実施形態の構成を示す図。
【図７】量子暗号装置の構成図。
【図８】量子暗号装置の構成図。
【図９】量子暗号装置の構成図。
【符号の説明】
【０１２６】
１１  光源
１２  ４分岐カップラー
１３  光子数非破壊測定装置
１４  非対称マッハツェンダー干渉系
１５  非対称マッハツェンダー干渉系
１６  光カップラー
１７  光伝送路
１８  非直交光子パルス
２１  光源
２２  ４分岐カップラー
２３  光子数非破壊測定装置
２４  非対称マッハツェンダー干渉系
２５  光遅延回路
２６  光カップラー
２７  光伝送路
２８  非直交光子パルス
３１  光源
３２  ４分岐カップラー
３３  光子数非破壊測定装置
３４  長尺および短尺光路に光導波路が結合された非対称マッハツェンダー干渉系
３５  光伝送路
３６  非直交光子パルス
４１  光源
４２  ４分岐カップラー
４３  光子数非破壊測定装置
４４  偏波面コントローラー
４５  偏波保持カップラーあるいは偏波ビームスプリッター
４６  対称マッハツェンダー干渉系平面光回路
４７  偏波面スクランブラーまたは偏光子
４８  光伝送路
４９  非直交光子パルス
５１  光源
５２  ４分岐カップラー
５３  光子数非破壊測定装置
５４  偏波面コントローラー
５５  偏波保持カップラーあるいは偏波ビームスプリッター
５６  偏波コントローラー
５７  非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路
５８  偏波コントローラー
５９  偏波選択素子
５Ａ  光伝送路
５Ｂ  非直交光子パルス
６１  光源
６２  偏波コントローラー
６３  非対称マッハツェンダー干渉系光回路
６４  ４分岐カップラー
６５  光子数非破壊測定装置
６６  偏波選択素子
６７  ４合波光カップラー
６８  光伝送路
６９  非直交光子パルス
７１  微弱レーザ光源
７２  非対称マッハツェンダー干渉系
７３  光伝送路
７４  非対称マッハツェンダー干渉系
７５  光子検出器
７６  位相変調器
７７  位相変調器
７８  コヒーレント２連光パルス
７９  ３連光パルス
８１  微弱レーザ光源
８２  非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路
８３  光伝送路
８４  非対称マッハツェンダー干渉系平面光回路
８５  光子検出器
８６  位相変調器
８７  位相変調器
８８  位相変調器
８９  コヒーレント２連光パルス
８Ａ  ３連光パルス
９１  微弱レーザ光源
９２  長尺および短尺光路を有する光導波路
９３  非対称マッハツェンダー干渉系
９４  光カップラー
９５  光伝送路
９６  長尺および短尺光路を有する光導波路
９７  非対称マッハツェンダー干渉系
９８  光カップラー
９９  光子検出器
９Ａ  非直交光パルス
９Ｂ  ３連光パルス
【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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