(57)【要約】【課題】フレーム同期に必要となる計算量を削減して迅速なフレーム同期確立を可能にするフレーム同期方法およびシステムを提供する。【解決手段】微弱強度の光を媒体として第一通信装置１０と第二通信装置２０とが光伝送路３０を介して通信を行う通信システムにおいて、第一通信装置１０は、固定長のフレームごとに送信データを分割し、各フレームの固定位置に設けられたフレームパタンとともに光伝送路へ送信する。第二通信装置２０のフレーム単位積算部２０３は、受信したデータを任意の位相でフレーム長毎に分割し、分割された複数フレームの同じビット位置のデータを積算することでヒストグラムを生成する。フレームパタン位相検出部２０４は、ヒストグラムからフレームパタンの位置を検出する。フレーム同期制御部１０４、２０５はがフレームパタンの位置に基づいて送信データと受信データとの間のビット対応を決定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微弱強度の光を媒体として第一通信装置と第二通信装置とが光伝送路を介して通信を行う通信システムにおけるフレーム同期方法であって、
前記第一通信装置が、固定長のフレームごとに送信データを分割し、各フレームの固定位置に設けられたフレームパタンとともに前記光伝送路へ送信し、
前記第二通信装置が、前記第一通信装置から前記光伝送路を通して受信したデータを任意の位相でフレーム長毎に分割し、分割された複数フレームの同じビット位置のデータを積算することでヒストグラムを生成し、前記ヒストグラムから前記フレームパタンの位置を検出し、
前記第一通信装置および前記第二通信装置が前記フレームパタンの位置に基づいて前記送信データと前記受信データとの間のビット対応を決定する、
ことを特徴とするフレーム同期方法。
【請求項２】
前記第一通信装置および前記第二通信装置が、前記フレームパタンの位置に基づいて前記送信データと前記受信データとを前記固定長フレーム単位で相対的にシフトさせることで前記送信データと前記受信データとの間のビット対応を決定することを特徴とする請求項１に記載のフレーム同期方法。
【請求項３】
前記第一通信装置および前記第二通信装置が前記フレームパタンの位置に基づいて前記送信データと前記受信データとの誤り率が最も低くなるビット対応を決定することを特徴とする請求項１または２に記載のフレーム同期方法。
【請求項４】
前記第一通信装置および前記第二通信装置が前記フレームパタンの位置に基づいて前記送信データと前記受信データとの一致率が最も高くなるビット対応を決定することを特徴とする請求項１または２に記載のフレーム同期方法。
【請求項５】
前記フレームパタンは、少なくとも１ビットの時間領域で前記微弱強度の光信号を送信しないことにより生成されることを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載のフレーム同期方法。
【請求項６】
前記送信データは位相２値および時間２値の光パルスによって送信され、前記フレームパタンは、時間２値における前側の光パルスのみの状態と後側の光パルスのみの状態とをこの順番で並べることで生成することを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載のフレーム同期方法。
【請求項７】
前記前側の光パルスのみの状態と前記後側の光パルスのみの状態との間に、前記微弱強度の光信号を送信しない時間帯を少なくとも１ビット以上設けることを特徴とする請求項６記載のフレーム同期方法。
【請求項８】
前記第二通信装置が複数の微弱光検出器を用いて前記第一通信装置より送られてきたデータを受信し、前記複数の微弱光検出器のそれぞれの出力に対して前記ヒストグラムを作成することを特徴とする請求項１−７のいずれか１項に記載のフレーム同期方法。
【請求項９】
請求項１−８のいずれか１項に記載のフレーム同期方法を用いて暗号鍵データの前記第一通信装置と前記第二通信装置との間のビット同期を確立する量子暗号鍵配付方法。
【請求項１０】
微弱強度の光を媒体として第一通信装置と第二通信装置とが光伝送路を介して通信を行い、送信データと受信データとの間でビット同期を確立するためのフレーム同期システムであって、
前記第一通信装置は、固定長のフレームごとに送信データを分割し、各フレームの固定位置にフレームパタンを埋め込む送信データ管理手段を有し、
前記第二通信装置は、前記第一通信装置から前記光伝送路を通して受信したデータを任意の位相でフレーム長毎に分割し、分割された複数フレームの同じビット位置のデータを積算することでヒストグラムを生成する積算手段と、前記ヒストグラムから前記フレームパタンの位置を検出するフレームパタン位相検出手段と、を有し、
前記第一通信装置あるいは前記第二通信装置は、前記フレームパタンの位置に基づいて前記送信データと前記受信データとの間のビット対応を決定する相対関係検出手段を更に有することを特徴とするフレーム同期システム。
【請求項１１】
前記相対関係検出手段は、前記フレームパタンの位置に基づいて前記送信データと前記受信データとを前記固定長フレーム単位で相対的にシフトさせることで前記送信データと前記受信データとの間のビット対応を決定することを特徴とする請求項１０に記載のフレーム同期システム。
【請求項１２】
前記相対関係検出手段は、前記フレームパタンの位置に基づいて前記送信データと前記受信データとの誤り率が最も低くなるビット対応を決定することを特徴とする請求項１０または１１に記載のフレーム同期システム。
【請求項１３】
前記相対関係検出手段は、前記フレームパタンの位置に基づいて前記送信データと前記受信データとの一致率が最も高くなるビット対応を決定することを特徴とする請求項１０または１１に記載のフレーム同期システム。
【請求項１４】
前記第一通信装置は、前記フレームパタンを少なくとも１ビットの時間領域で前記微弱強度の光信号を送信しないことにより生成することを特徴とする請求項１０−１３のいずれか１項に記載のフレーム同期システム。
【請求項１５】
前記第一通信装置は、前記送信データを位相２値および時間２値の光パルスによって送信し、前記フレームパタンは、時間２値における前側の光パルスのみの状態と後側の光パルスのみの状態とをこの順番で並べることで生成することを特徴とする請求項１０−１４のいずれか１項に記載のフレーム同期システム。
【請求項１６】
前記前側の光パルスのみの状態と前記後側の光パルスのみの状態との間に、前記微弱強度の光信号を送信しない時間帯を少なくとも１ビット以上設けることを特徴とする請求項１５記載のフレーム同期システム。
【請求項１７】
前記第二通信装置は、前記第一通信装置より送られてきたデータを受信する複数の微弱光検出器を有し、前記複数の微弱光検出器のそれぞれの出力に対して前記ヒストグラムを作成することを特徴とする請求項１０−１６のいずれか１項に記載のフレーム同期システム。
【請求項１８】
請求項１０−１６のいずれか１項に記載のフレーム同期システムを用いて暗号鍵データの前記第一通信装置と前記第二通信装置との間のビット同期を確立する量子暗号鍵配付システム。
【請求項１９】
微弱強度の光を媒体として送信側の通信装置との間で光伝送路を介して光通信を行う通信装置であって、
前記送信側の通信装置から微弱強度の光信号により前記光伝送路を通して受信したデータを格納する格納手段と、
前記受信データを任意の位相でフレーム長毎に分割し、分割された複数フレームの同じビット位置のデータを積算することでヒストグラムを生成する積算手段と、
前記ヒストグラムから前記フレームパタンの位置を検出するフレームパタン位相検出手段と、
前記フレームパタンの位置に基づいて前記受信データの一部を前記送信側の通信装置へ相対関係検出用のデータとして送信するフレーム同期制御手段と、
を有することを特徴とする通信装置。
【請求項２０】
前記フレーム同期制御手段は、前記フレームパタンの位置に基づいて前記受信データを前記固定長フレーム単位で相対的にシフトさせながら前記相対関係検出用のデータを送信することを特徴とする請求項１９に記載の通信装置。
【請求項２１】
微弱強度の光を媒体として送信側の通信装置との間で光伝送路を介して光通信を行う通信システムのフレーム同期装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、
前記送信側の通信装置から微弱強度の光信号により前記光伝送路を通して受信したデータを格納する格納手段と、
前記受信データを任意の位相でフレーム長毎に分割し、分割された複数フレームの同じビット位置のデータを積算することでヒストグラムを生成する積算手段と、
前記ヒストグラムから前記フレームパタンの位置を検出するフレームパタン位相検出手段と、
前記フレームパタンの位置に基づいて前記受信データの一部を前記送信側の通信装置へ相対関係検出用のデータとして送信するフレーム同期制御手段と、
として前記コンピュータを機能させるためのプログラム。
【請求項２２】
前記フレーム同期制御手段は、前記フレームパタンの位置に基づいて前記受信データを前記固定長フレーム単位で相対的にシフトさせながら前記相対関係検出用のデータを送信することを特徴とする請求項２１に記載のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は単一光子レベルの微弱な強度の光信号を使用して通信を行う光通信システムに係り、特に送信データと受信データとの間のフレーム同期を確立する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
急激な成長を続けるインターネットは、便利である反面、その安全性に大きな不安を抱えているのが実情であり、通信の秘密保持の為に高度な暗号技術の必要性が益々高くなっている。現在一般的に用いられている暗号方式は、ＤＥＳ(Data Encryption Standard)やTriple ＤＥＳといった秘密鍵暗号と、ＲＡＳ(Rivest Shamir Adleman)や楕円曲線暗号の様な公開鍵暗号とに分類される。しかしながら、これらは計算の複雑性を元にその安全性を保証する暗号通信方法であり、膨大な計算能力や暗号解読アルゴリズムの出現によって解読されてしまう危険性を常に孕んでいる。こういった背景の下、量子暗号鍵配付システム（ＱＫＤ）は絶対に盗聴されない暗号鍵配付技術として注目されている。
【０００３】
ＱＫＤでは一般に通信媒体として光子を使用し、その量子状態に情報を載せて伝送を行う。伝送路の盗聴者は伝送中の光子をタッピングする等して情報を盗み見るものの、Heisenbergの不確定性原理により、１度観測されてしまった光子を完全に観測前の量子状態に戻すことは不可能となる。このことによって正規の受信者が検出する受信データの統計値に変化が生じ、この変化により受信者は伝送路における盗聴者を検出することができる。
【０００４】
光子の位相を利用した量子暗号鍵配付方法の場合、送信者と受信者（以下、それぞれ「Ａｌｉｃｅ」と「Ｂｏｂ」と称する）で光学干渉計を組織し、各々の光子にＡｌｉｃｅおよびＢｏｂでそれぞれランダムに位相変調を施す。この変調位相深さの差によって“０” 、“１”あるいは“不定”の出力が得られ、その後、出力データを測定したときの条件の一部分をＡｌｉｃｅとＢｏｂとの間で照合することによって最終的にＡｌｉｃｅ−Ｂｏｂ間で乱数列を共有することができる。以下、ＢＢ８４プロトコルと呼ばれる最も代表的な量子暗号鍵配送アルゴリズムについて簡単に説明する（非特許文献１）。
【０００５】
図１４はＢＢ８４プロトコルを概念的に示す説明図である。ここでは、送信側のＡｌｉｃｅ１１０１と受信側のＢｏｂ１１０３とが光伝送路１１０２で接続され、量子暗号通信を行うものとする。この方法では４通りの量子状態を利用し、Ａｌｉｃｅ１１０１が乱数源を２つ持ち、一方の乱数１で０あるいは１の暗号鍵データを表し、もう一方の乱数２で乱数１の情報をコーディングする方法を決定する。
【０００６】
具体的には、コヒーレントな２パルス間の位相差を利用して４状態のコーディングを行う量子暗号鍵配付方法において、位相０が暗号鍵“０”、位相πが暗号鍵“１”の組を表すコーディングセット（以下、「Ｘ基底」と称する。)と、位相π／２が暗号鍵“０”、位相３π／２が暗号鍵“１”を表すコーディングセット（以下、「Ｙ基底」と称する。）と、の２組の基底を乱数２で選択する。つまり１つの光子に対して、０、π／２、π、３π／２の４通りの変調をランダムに施してＢｏｂ１１０３へ送信する。
【０００７】
一方、Ｂｏｂ１１０３では基底に対応する乱数源（乱数３）を持ち、Ａｌｉｃｅ１１０１より送られてきた光子に対してデコードを行う。乱数３の値が“０”である場合、光子に対して位相０（Ｘ基底）の変調を、“１”である時には位相π／２（Ｙ基底）の変調を施す。ここで光学干渉計出力として得られた乱数を乱数４とする。
【０００８】
Ａｌｉｃｅ１１０１とＢｏｂ１１０３の両者が施した変調の基底が同一である場合（乱数２＝乱数３）には、乱数１の値をＢｏｂ１１０３は正しく検出することができ（乱数１＝乱数４）、異なる場合（乱数２≠乱数３）には乱数１の値に依らずｂｏｂ１１０３は乱数４として０／１の値をランダムに得る。
【０００９】
乱数１／２／３は共に１ビット毎に変化する乱数である為、基底が一致する確率と不一致である確率は共に５０％となる。ただし、後段の基底照合(Basis Reconciliation)によって基底が不一致となるビットを削除する為、Ａｌｉｃｅ１１０１とＢｏｂ１１０３は乱数１に対応する０／１ビット列を共有することができる。なお、量子暗号鍵配付では、基底不一致ビットを削除する前の乱数データを「生鍵」、基底不一致ビットを削除した後の乱数データを「選別鍵」と呼ぶ。
【００１０】
図１５は非特許文献５に開示された単一方向型ＱＫＤシステムを概略的に示すブロック図である。図１５に示す方式では、２値の位相状態と２値の時間状態とを使用する。
【００１１】
まずＡｌｉｃｅ１２０１で４入力２出力の２×４干渉計を利用し、４つの入力ポート各々に光源ＬＤ１〜ＬＤ４からの光パルスを入力する。光源ＬＤ１から光パルスを入力した場合、光パルスは干渉計の長経路のみを通る為、時間的に遅れた１パルスのみが伝送路に送出され、光源ＬＤ４から光パルスを入力した場合には、光パルスは干渉計の短経路のみを通る為に時間的に進んだ１パルスのみが伝送路に送出される。光源ＬＤ２およびＬＤ３から光パルスを入力した場合は、２×４干渉計の両経路の位相差によって、Ｘ基底あるいはＹ基底を生成できる。Ｂｏｂ１２０２では、２入力４出力の２×４干渉計を利用して各基底のデコードを行い４個の光子検出器ＡＰＤ１〜ＡＰＤ４により検出される。
【００１２】
以下、光源ＬＤ１およびＬＤ４を使用した場合の様に、２連パルスの片側のみ光子が存在するようなコーディングセットを「Ｚ基底(Z basis)」と呼ぶこととする。なお、Ｘ基底あるいはＹ基底を選択時の２連パルスの光強度の総和は、Ｚ基底選択時と等しい必要がある為、個々のパルスの強度は半分となる。
【００１３】
すなわち、Ａｌｉｃｅ側は光源ＬＤ１−ＬＤ４のうちのどの光源から光パルスを発生させるかを選択し、Ｂｏｂ側は光子検出器ＡＰＤ１〜ＡＰＤ４のいずれかで光子を検出することによりビットおよび基底を同時に判定することができる。本方式では、Ｂｏｂ側に変調器を必要としない為、暗号鍵生成の高速化が実現できる。
【００１４】
このような量子暗号鍵配付システムを現実世界で実現しようとすると、様々な原因によって誤り率が上昇することが知られている。具体的には、単一光子レベルの微弱光に情報を載せて伝送するので伝送路途中で消失するビットが多く、Ａｌｉｃｅ−Ｂｏｂ間でのビット対応の誤認識が生じやすい。また、伝送路の伸縮などに起因する装置間の処理ずれや、受信機側の装置内の処理ずれもビット対応ずれの原因と考えられる。特に、受信側で複数の光子検出器を使用する必要がある為、次に述べるような複数検出器間の配線遅延量が変化することによるフレーム同期外れも問題となる。以下、送信側と受信側との間でビット位置の同期が取れていること、すなわちビット対応が正しく成立している状態を「フレーム同期確立」、ビット対応がとれていない状態を「フレーム同期外れ」と呼ぶこととする。
【００１５】
図１６（Ａ）は単一方向型量子暗号配付システムの一般的な構成を示すブロック図であり、図１６（Ｂ）はそのフレーム同期外れ状態を説明するための送受信ビット配列を示す図である。図１６（Ａ）に示すように、送信側Ａｌｉｃｅ１３０１と受信側Ｂｏｂ１３０２とが光伝送路１３０３で接続され、Ａｌｉｃｅ１３０１には単一光子送信部１３１１およびフレーム同期部１３１２が設けられ、Ｂｏｂ１３０２には２個の光子検出器０および１および乱数／バッファ部１３２１が設けられているものとする。
【００１６】
Ａｌｉｃｅ１３０１のフレーム同期部１３１２は、送信乱数と受信側Ｂｏｂ１３０２からの照合用のビット情報とを比較して誤り率を計算する。Ｂｏｂ１３０２の乱数／バッファ部１３２１は、光子検出器０および１で検出されたビットの一部を照合用としてＡｌｉｃｅ１３０１のフレーム同期部１３１２へ戻る。
【００１７】
このようなシステムにおいて、Ｂｏｂ１３０２の光子検出器０および光子検出器１の間に光学的距離あるいは電気配線長の差があると、光子が到達してから各光子検出器の検出ビットが乱数／バッファ部１３２１に到達するまでの遅延量が異なってくる。このためにＡｌｉｃｅ１３０１の送信乱数とＢｏｂ１３０２の受信乱数とのビット対応がとれなくなり、フレーム同期部１３１２で計算される誤り率が劣化する原因となる。このフレーム同期外れは、量子暗号鍵配付の繰返し速度が速くなるほど顕著に現れる。
【００１８】
量子暗号鍵配付システムでは送信機と受信機とでビット位置の同期を確立することが必要であるが、上述したように量子状態のエンコーディング・デコーディングに関する報告は数多くなされているものの、量子暗号鍵配付におけるフレーム同期方法に関する報告は数少ない。
【００１９】
本出願人は、量子暗号鍵配付においてフレーム同期を確立する技術として、特許文献１に記載の方法を提案した。この方法は、送受信機間の乱数を１ビットずつシフトして誤り率が最小となるビット位置を見つけることでフレーム同期確立を行っている。
【００２０】
【非特許文献１】”Quantum Cryptographe; Public Key distribution and Coin Tossing” IEEE Int. Conf. on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, India, December 10-12, 1984, pp.175-179, Bennett, Brassard
【非特許文献２】“Estimates for practical quantum cryptography”, Physical Review A, Vol.59, No.5, May 1999, pp.3301-3319, N. Lutkenhaus
【非特許文献３】“Eavesdropping on practical quantum cryptography”, quantum-ph /0211155, M. Williamson, V. Vedral
【非特許文献４】“Quantum key distribution systems without optical switching using planar lightwave circuit” QCMC2006, P2-31, Y. Nambuet al.
【特許文献１】特開２００６−１２９３３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、特許文献１で提案されたように、送受信機間の乱数を１ビットずつシフトして誤り率が最小となるビット位置を見つける方法では、計算量が大きくなるためにフレーム同期を高速で確立することができない場合がある。
【００２２】
そこで、本発明の目的は、フレーム同期に必要となる計算量を削減して迅速なフレーム同期確立を可能にするフレーム同期方法およびシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明によるフレーム同期方法は、微弱強度の光を媒体として第一通信装置と第二通信装置とが光伝送路を介して通信を行う通信システムにおけるフレーム同期方法であって、前記第一通信装置が、固定長のフレームごとに送信データを分割し、各フレームの固定位置に設けられたフレームパタンとともに前記光伝送路へ送信し、前記第二通信装置が、前記第一通信装置から前記光伝送路を通して受信したデータを任意の位相でフレーム長毎に分割し、分割された複数フレームの同じビット位置のデータを積算することでヒストグラムを生成し、前記ヒストグラムから前記フレームパタンの位置を検出し、前記第一通信装置および前記第二通信装置が前記フレームパタンの位置に基づいて前記送信データと前記受信データとの間のビット対応を決定する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、フレーム同期に必要となる計算量を削減して迅速なフレーム同期確立を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
１．第１実施形態
１．１）構成
図１は本発明の第１実施形態による微弱光通信システムにおける通信装置の機能的構成を示すブロック図である。ここでは、通信装置としての送信機１０と受信機２０とが光伝送路３０を通して光学的に接続されているものとする。
【００２６】
送信機１０に設けられた微弱光送信部１０１は、後述するフレームパタンおよび送信データに従って変調された単一光子レベルの微弱光パルス列を光伝送路３０へ送出する。送信機１０は、送信制御部１０２および乱数記憶部１０３を含む乱数／バッファ部、フレーム同期制御部１０４、誤り率計算部１０５、および光通信部１０６を有する。
【００２７】
送信制御部１０２は、固定長ごとにフレーム化された乱数列を送信データとして乱数記憶部１０３へ出力するとともに、フレームの固定位置に既知のフレームパタンを微弱光送信部１０１へ出力する。
【００２８】
乱数記憶部１０３は送信データを微弱光送信部１０１へ出力し、微弱光送信部１０１はフレームパタンを埋め込みながらフレーム化された送信データに従って微弱光パルスを変調し受信機２０へ送信する。また、送信データは乱数記憶部１０３に記憶され、フレーム同期をとる際の誤り率あるいは一致率の計算に使用される。
【００２９】
フレーム同期制御部１０４は、後述するように、誤り率計算部１０５を用いて誤り率あるいは一致率を計算し、最も良好な誤り率あるいは一致率が得られた状態をフレーム同期が確立した状態として決定することができる。
【００３０】
受信機２０に設けられた微弱光受信部２０１は、光伝送路３０を通して到達した単一光子レベルの微弱光パルスを検知するが、後述するように送信時の微弱光パルスの多くは途中で消失し、到達する微弱光パルスの割合はかなり小さい。受信機２０は、受信データ記憶部２０２、フレーム単位積算部２０３、およびフレームパタン位相検出部２０４を含む積算パタン検出部を有する。さらに、受信機２０はフレーム同期制御部２０５および光通信部２０６を有する。
【００３１】
受信データ記憶部２０２は微弱光受信部２０１により検知された受信データを格納し、フレーム単位積算部２０３は、受信データを任意の位相のフレームごとに切り取り、当該フレームのビット位置ごとの受信ビットを累計してヒストグラムを生成する。フレームパタン位相検出部２０４は、ヒストグラムからフレームパタンの当該フレームでの位置を特定し、その位相情報をフレーム同期制御部２０５へ出力する。フレーム同期制御部２０５は、位相情報に基づき、受信データ記憶部２０２からフレーム単位で複数回位相シフトさせながら照合用データを読み出し、光通信部２０６を通して送信機１０へ送信する。
【００３２】
なお、送信機１０の乱数／バッファ部、フレーム同期制御部１０４および誤り計算部１０５は、送信機１０のＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行することにより実現されうる。同様に、受信機２０の積算パタン検出部、フレーム同期制御部２０５も送信機１０のＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行することにより実現されうる。
【００３３】
１．２）動作
図２は本実施形態による微弱光通信システムの送信機および受信機の動作を示すフロートチャートである。まず、送信制御部１０２は、生成した乱数列を所定ビット数Ｎのフレームごとに分割して乱数記憶部１０３に記憶させる（ステップ４０）。さらに送信制御部１０２は、フレームごとにフレームパタンと送信データを微弱光送信部１０１へ出力し、これによって微弱光送信部１０１はフレームの固定位置にフレームパタンが埋め込まれた送信データを微弱光パルス列に乗せて受信機２０へ送信する（ステップ４１）。
【００３４】
受信機２０の微弱光受信部２０１は、光伝送路３０を通して到達した単一光子レベルの微弱光パルスを検知し（ステップ４２）、受信データとして受信データ記憶部２０２に蓄積する（ステップ４３）。具体的には後述するが、実際の受信データは大部分のビット位置が消失した状態であり、検出ビットは疎らに散在するに過ぎない。
【００３５】
フレーム同期制御部２０５の制御により、フレーム単位積算部２０３は、任意のフレーム位相に従って、蓄積された受信データをＮビット（フレーム長）単位で切り出し、それらを同じビット位置ごとに所定回数分積算することでヒストグラムを生成する（ステップ４４）。
【００３６】
生成されたヒストグラムは１フレーム長を有するので、どこかに既知のフレームパタンが存在しているはずである。各フレームの検出ビットが疎らに散在する状態であっても、複数フレーム分を積算することで既知のフレームパタンをヒストグラム上で見いだすことが可能である。たとえば、既知のフレームパタンをヒストグラム上でマッチングさせることでフレームパタンの位置を検出することができる。あるいは、既知のフレームパタンが所定値の連続である場合、ヒストグラム上で特定のビット位置の積算値が他のビット位置に比べて明らかに高いあるいは低いとすれば、当該ビット位置を当該フレームパタン位置として検出することも可能である。
【００３７】
こうして、フレームパタン位相検出部２０４は、ヒストグラムを用いてフレームパタン位置を位相情報として検出する（ステップ４５）。フレーム同期制御部２０５は、位相情報に従ったフレーム位相を基準にして、受信データ記憶部２０２の受信データから照合用のデータをＮビット（フレーム長）ごとにシフトさせながら選択し、照合用データを光通信部２０６を通して送信部１０へ送信する（ステップ４６）。
【００３８】
送信機１０のフレーム同期制御部１０４は、受信機２０から照合用データを受信すると、乱数記憶部１０３から対応する送信データを読み出し、送信データと照合用データとを用いて誤り率計算部１０５に誤り率あるいは一致率を計算させる（ステップ４７）。フレーム同期制御部１０４あるいは２０５は、算出された誤り率あるいは一致率が最も良好となる照合用データを選択したフレーム位置を送信データと受信データとのフレーム同期確立位置として決定する（ステップ４８）。
【００３９】
１．３）効果
本発明の第１実施形態によれば、微弱光を媒体とする通信システムのフレーム同期に必要となる計算量を大幅に削減することができる。本発明の方法では、送信データ（乱数）をフレーム毎（フレーム長Ｎビット）に分割して管理し、フレーム中の固定位置にフレームパタンを設ける。受信側では、受信できた乱数を任意の位相でフレーム長毎に分割して積算することによってフレームパタンを検出する。フレームパタンの位相が検出されることで、送信機１０および受信機２０がそれぞれ保有する乱数をフレーム長のＮビットずつ相対的にシフトさせるだけで、最も良好な誤り率あるいは一致率を計算することができる。従って、１ビットずつシフトさせながら誤り率を計算する場合に比べて必要な計算量を大幅に削減することができる。
【００４０】
さらに、微弱光受信部２０１で複数の微弱光検出器の配線遅延量の変動に左右されず、安定したフレーム同期を確立することができる。なぜならば、各光検出器の出力から各々フレームパタンを検出すれば、各検出回路の配線遅延量の変動に影響されないフレームパタン検出が可能となるからである。従って複数の光検出器のデータ収集回路の配線遅延量の変動に依らない安定したフレーム同期を実現できる。
【００４１】
２．第１実施例
以下、図１に示す微弱光通信システムの具体例について、位相４値のＢＢ８４プロトコルを使用した一方向型の量子暗号鍵配付システムを取りあげて詳細に説明する。この場合、送信機１０がＡｌｉｃｅ、受信機２０がＢｏｂである。
【００４２】
２．１）構成
図３は本発明の第１実施例による量子暗号鍵配付システムにおける単一光子送信ブロックの詳細な構成を示すブロック図である。なお、図３に示す単一光子送信ブロック１０１は、図１に示す送信機１０の微弱光送信部１０１に対応する。
【００４３】
単一光子送信ブロック１０１は光源として直接変調レーザ（ＤＭＬ）３０１を有し、ＤＭＬ３０１はパルス源３０２によって駆動され光パルス列を生成する。また、本実施例では、ＤＭＬ３０１は、送信制御部１０２からの制御信号によりフレームパタンのタイミングで光パルスを出力しないように制御される。光パルスの出力停止は、パルス源３０２を制御してもよいし、ＤＭＬ３０１を直接制御してもよい。
【００４４】
ＤＭＬ３０１から出力された光パルスは、２入力２出力非対称ＭＺ（Mach-Zehnder）干渉計３０３を通して２連光パルスとなり、２段の位相変調器３０４および３０５により位相制御される。本実施例において、非対称出力ＭＺ干渉計３０３の経路遅延差は８００ｐｓであるとする。
【００４５】
前段の位相変調器３０４には送信データとしての乱数が入力し、後段の位相変調器３０５には基底としての乱数が入力する。本実施例において、２連光パルスの相対位相強度は０、π、π／２、３π／２の４状態である。位相変調された２連光パルスは、光減衰器３０６によって単一光子レベルに減衰されて光伝送路３０へ送出される。なお、本実施例ではＤＭＬ３０１を制御して光パルスを出力しないようにしたが、それ以外に、光減衰器３０６によって光パルスが光伝送路３０へ送出しないように制御しても同様の効果が得られる。
【００４６】
図４は本発明の第１実施例による量子暗号鍵配付システムにおける単一光子受信ブロックの詳細な構成を示すブロック図である。なお、図４に示す単一光子受信ブロック２０１は、図１に示す受信機２０の微弱光受信部２０１に対応する。
【００４７】
単一光子受信ブロック２０１は、位相変調器４０１、２入力２出力非対称ＭＺ干渉計４０２、および２つの光子検出器４０３および４０４を有する。位相変調器４０１には基底としての乱数が入力し、２入力２出力ＭＺ干渉計４０２により光子検出器４０３あるいは４０４のいずれかで光子検出され、受信データとして受信データ記憶部２０２へ出力される。本実施例で使用される光子検出器４０３および４０４はＡＰＤ(Avalanche Photo Diode)である。非対称ＭＺ干渉計４０２の経路遅延差は、送信機１０の非対称出力ＭＺ干渉計３０３と同じ８００ｐｓである。
【００４８】
２．２）光パルス伝送
次に、図３および図４にそれぞれ示す単一光子送信ブロック１０１および単一光子受信ブロック２０１を有する量子暗号鍵配付システムの動作を説明する。
【００４９】
まず、単一光子送信ブロック１０１のＤＭＬ３０１は、パルス源３０２からの駆動信号を元に光パルスを生成し、非対称ＭＺ干渉計３０３によって時間分離された２連光パルスへと変換される。この２連光パルスの片方の光位相は、上述したようにフレーム化された乱数により駆動される位相変調器３０４および３０５によって位相変調され、これによって２連光パルスの相対位相強度は０、π、π／２、３π／２の４状態でランダムに変化する。本実施例では１０ビットを１フレームとし、フレーム先頭の２ビットをフレーム同期用の既知パタン（フレームパタン）として使用する。後述するように、フレーム先頭２ビットのタイミングで光パルスは出力されない。こうして位相変調された２連光パルスは光減衰器３０６により単一光子レベルまで光強度を減衰させて光伝送路３０へと送出される。
【００５０】
送信機１０から送信された２連光パルスは、光伝送路３０を通過する間に大部分が消失するが、残りが受信機２０の単一光子受信ブロック２０１へ到達する。到達した２連光パルスは、片方の光位相が位相変調器４０１によって変調され、非対称ＭＺ干渉計４０２によって合波する。これにより、送信機１０と受信機２０でそれぞれ施した変調位相に従って光子検出器４０３あるいは４０４が光子を検出する。光子検出器４０３あるいは４０４における検出情報は受信データ記憶部２０２に蓄積される。
【００５１】
２．３）フレームパタンと送信データ
図５は本実施例における各パルスに対する量子状態のエンコーディングおよびデコーディングの一例を示すタイムチャートである。上述したように、本実施例では、１０ビットを１フレームとし、フレーム先頭の２ビットをフレーム同期用パタンとして使用する。すなわち、図５において、Ｔ１〜Ｔ１０の１０ビットが１フレーム、先頭ビットＴ１、Ｔ２がフレーム同期用ビットである。同様に、Ｔ１１〜Ｔ２０のビットが１フレーム、その先頭ビットＴ１１、Ｔ１２がフレーム同期用のビットである。
【００５２】
本実施例では、（Ｔ１、Ｔ２）、（Ｔ１１、Ｔ１２）・・・のフレーム同期用のビットでは、ＤＭＬ３０１において光パルスを生成しない。各フレームの残りの８ビットに対しては、位相変調器３０４および３０５は、それぞれ送信データ乱数および基底乱数に従ってψＡ、φＡ共にランダムな変調を行う。
【００５３】
光伝送路３０を通過した各々の光パルスのビット番号は、受信機２０には判別できないので、位相変調器４０１は乱数に従って全ての到達パルスに対して位相変調（φＢ）をランダムに施す。その際、送信側の位相変調器３０５によるφＡと受信側の位相変調器４０１によるφＢの値が等しければ、送信データに対応する送信側のψＡの値に従って非対称ＭＺ干渉計４０２の出力が決定され、φＡとφＢの値が異なっている場合は、ψＡの値によらず非対称ＭＺ干渉計４０２の出力はランダムに定まる。
【００５４】
図５におけるＭＺ干渉計４０２の出力の欄には、光子が検出できなかったビットを「−」で、光子検出器４０３で検出されたビットを「ＡＰＤ０」で、光子検出器４０４で検出されたビットを「ＡＰＤ１」でそれぞれ表している。さらに、ＡＰＤ０／ＡＰＤ１出力の欄には、ＡＰＤ０／ＡＰＤ１で検出できたビットを「１」で、ＡＰＤ０／ＡＰＤ１で検出できなかったビットを「０」でそれぞれ表している。ＡＰＤ０出力、ＡＰＤ１出力共に殆どが「０」で、このままではフレーム同期用にパルスを送らなかったビット位置（Ｔ１、Ｔ２）、（Ｔ１１、Ｔ１２）・・・に対応するフレームパタンを判別することができない。そこで、本実施例では次に説明するように積算機能を用いてヒストグラムを生成しフレームパタン位置を検出する。
【００５５】
２．４）積算パタン検出
図６は本実施例における積算パタン検出方法を説明するための積算手順の一例を示す模式図である。ここでは、光子検出器４０３の出力（ＡＰＤ０出力）の場合を一例として示すが、光子検出器４０４の場合も同様である。
【００５６】
受信機２０のフレーム単位積算部２０３は、図６に示すように、受信データ記憶部２０２からＡＰＤ０出力のビット列を任意の位相でフレーム（１０ビット）毎に分割して読み出す。そして各フレームをビット位置をそろえて縦方向に配列し、それらを同一ビット位置ごとに縦方向に積算することで、各々のビット位置の積算結果ａ１〜ａ１０（ヒストグラム）を得る。
【００５７】
本実施例におけるフレームパタンのビット位置（Ｔ１、Ｔ２）、（Ｔ１１、Ｔ１２）・・・では光パルスが送出されていないので、理想的には、これらに対応してヒストグラムａ１〜ａ１０のうちの連続する２つが「０」になるはずである。ここでは、ａ９およびａ１０の積算値が０となったとすると、これらのビット位置がフレームパタン（Ｔ１、Ｔ２）、（Ｔ１１、Ｔ１２）・・・に対応することが分かる。ただし、実際には、光子検出器の暗計数が完全に０にはならないので、ａ９およびａ１０の値も０とはならないものの、他のａ１〜ａ８の値と比較して明確に小さい値になる。したがって、フレームパタン位相検出２０４は、フレーム単位積算部２０３により得られたビット位置の積算結果ａ１〜ａ１０から、他のビット位置の積算値に比べて明らかな差（所定値以上の差）があるビット位置を識別し、識別されたビット位置をフレーム内での同期パタン位置（位相情報）として検出する。
【００５８】
こうしてフレームパタンの位相が検出されると、フレーム同期制御部２０５は、検出された位相を分割基準としたフレーム単位で、１０ビットずつシフトさせながら、受信データの一部である照合用データを送信機１０へ送信する。
【００５９】
送信機１０の誤り率計算部１０５は、受信機２０から受信した照合用データと対応する送信データとを用いて誤り率（あるいは一致率）を計算する。こうして、フレーム同期制御部１０４および２０５は、誤り率が最小となる（あるいは一致率が最大となる）、送信データと受信データとの相対関係を見つけることでフレーム同期を確立することができる。
【００６０】
２．５）効果
本発明の第１実施例によれば、送信データ（乱数）をフレームごとに分割して管理し、フレーム中の固定位置にフレームパタンを挿入して送信し、受信側では、受信できた乱数を任意の位相でフレーム長毎に分割して積算することによってフレームパタンを検出することができる。フレームパタンの位相が検出されれば、送信機１０および受信機２０がそれぞれ保有する乱数をフレーム長ずつ相対的にシフトさせるだけで、最も良好な誤り率あるいは一致率を計算することが可能となる。従って、フレーム同期に必要な計算量を大幅に削減することができる。
【００６１】
なお、本実施例では一例として１０ビットをフレーム長としたが、これに限定されるものではなく、フレーム長を長くすればするほど誤り率（一致率）の計算量が小さくなる。また、本実施例では、２ビット分の光パルスを無くすことによりフレームパタンを挿入したが、これに限定されるものではなく、所定数ビット連続して光パルスを送出したり、所定パタンで光パルスをＯＮ／ＯＦＦしたりすることで同等の効果を生じさせることも可能である。
【００６２】
２．６）比較例
以下、上述した積算パタン検出を採用しない量子暗号鍵配付システムでフレームパタンを送信した場合を比較例として説明する。
【００６３】
図７は積算パタン検出を行わない場合のフレームパタンの検出過程を示す模式的なビット配列図である。図７（Ａ）に示すように、送信機１０から送信される送信データは、受信機２０に到達する際には大部分が消失してしまう。到達率は、たとえば数百ビットに１ビット程度の割合である。
【００６４】
従って、図７（Ｂ）に示すように、フレーム長２０ビットの送信データに既知のフレームパタン（たとえば４ビット“１０１０”）を挿入して送信しても、受信機２０ではほとんどフレームパタンを受信できない。したがって、このままの状態ではフレームパタンを検出することは不可能に近い。
【００６５】
これに対して、本発明によれば、受信データをフレーム単位で積算してヒストグラムを生成するので、このヒストグラムからフレームパタンを有効に検出することが可能となる。
【００６６】
３．第２実施形態
図８は本発明の第２実施形態による微弱光通信システムにおける通信装置の概略的構成を示すブロック図である。ここでは通信装置としての送信機５０と受信機６０とが光伝送路３０を通して光学的に接続され、受信機６０は４個の微弱光検出器によってそれぞれ検出ビットが出力されるものとする。
【００６７】
送信機５０に設けられた微弱光送信部５０１は、後述するように、光子パルスの生成および量子状態のエンコーディングを行い、単一光子レベルの微弱光パルス列を光伝送路３０へ送出する。送信機５０は、乱数／バッファ部５０２、フレーム同期制御部５０３および誤り率計算部５０４を有する。ただし、図面を複雑化しないために、フレーム同期制御部５０３が受信機６０と通常光通信を行うための光通信部の図示は省略されている。また、乱数／バッファ部５０２は、図１と同様に送信制御部および乱数記憶部を含むものとする。
【００６８】
乱数／バッファ部５０２は、固定長ごとにフレーム化された乱数列を送信データとして微弱光送信部５０１へ出力すると共に乱数記憶部に記憶し、さらにフレームの固定位置に既知のフレームパタンを微弱光送信部５０１へ出力する。こうして微弱光送信部５０１はフレームパタンを埋め込みながらフレーム化された送信データに従って微弱光パルスを変調し受信機６０へ送信する。また、記憶された送信データは、フレーム同期をとる際の誤り率あるいは一致率の計算に使用される。
【００６９】
フレーム同期制御部５０３は、後述するように、誤り率計算部５０４を用いて誤り率あるいは一致率を計算し、最も良好な誤り率あるいは一致率が得られた状態をフレーム同期が確立した状態として決定することができる。
【００７０】
受信機６０に設けられた微弱光受信部６０１は４個の微弱光検出器を有し、光伝送路３０を通して到達した単一光子レベルの微弱光パルスをそれぞれ検知する。積算パタン検出部６０２〜６０５は、微弱光受信部６０１から出力されるそれぞれの受信データをフレームごとに積算しフレームパタンを検出する。
【００７１】
積算パタン検出部６０２〜６０５の各々は、図１に示す受信データ記憶部２０２、フレーム単位積算部２０３およびフレームパタン位相検出部２０４を含む積算パタン検出部と同様の機能的構成を有するものであればよい。すなわち、積算パタン検出部６０２〜６０５の各々は、微弱光受信部６０１により検知された対応する受信データを格納し、当該受信データを任意の位相のフレームごとに切り取り、当該フレームのビット位置ごとの受信ビットを累計してヒストグラムを生成し、このヒストグラムからフレームパタンの位相情報を検出してフレーム同期制御部６０６へ出力する。
【００７２】
フレーム同期制御部６０６は、積算パタン検出部６０２〜６０５から得られる位相情報１〜４を用いて受信データの並び替え、照合用データの選択などを実行する。なお、受信機６０においても、図面を複雑化しないために、フレーム同期制御部６０６が送信機５０と通常光通信を行うための光通信部の図示は省略されている。
【００７３】
なお、送信機５０の乱数／バッファ部５０２、フレーム同期制御部５０３および誤り計算部５０４は、送信機５０のＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行することにより実現されうる。同様に、受信機６０の積算パタン検出部６０２〜６０５、フレーム同期制御部６０６も送信機６０のＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行することにより実現されうる。
【００７４】
図８に示す微弱光通信システムの基本的動作は、上記１．２）で説明した第１実施形態の動作と同様であるから、ここでは省略する。
【００７５】
４．第２実施例
以下、図８に示す微弱光通信システムの具体例について、位相２値＋時間２値のＢＢ８４プロトコルを使用した一方向型の量子暗号鍵配付システムを取りあげて詳細に説明する。この場合、送信機５０がＡｌｉｃｅ、受信機６０がＢｏｂである。
【００７６】
４．１）構成
図９は本発明の第２実施例による量子暗号鍵配付システムにおける単一光子送信ブロックの詳細な構成を示すブロック図である。なお、図９に示す単一光子送信ブロック５０１は、図８に示す送信機５０の微弱光送信部５０１に対応する。基本的な構成は、図１５に示すＡｌｉｃｅ１２０１と同様である。すなわち、単一光子送信ブロック５０１は、４個の光源であるＤＭＬ７０１〜７０４、４入力２出力の非対称ＭＺ干渉計７０５および光減衰器７０６を有する。ＤＭＬ７０１〜７０４は乱数／バッファ部５０２の制御に従って非対称ＭＺ干渉計７０５の４つの入力ポートのそれぞれ対応するポートへ光パルスを出力する。
【００７７】
図１０は本発明の第２実施例による量子暗号鍵配付システムにおける単一光子受信ブロックの詳細な構成を示すブロック図である。なお、図１０に示す単一光子送信ブロック６０１は、図８に示す受信機６０の微弱光受信部６０１に対応する。基本的な構成は、図１５に示すＢｏｂ１２０２と同様である。すなわち、単一光子受信ブロック６０１は、２入力４出力の非対称ＭＺ干渉計８０１と４個の光子検出器８０２〜８０５とを有し、光子検出器８０２〜８０５のそれぞれの出力が積算パタン検出部６０５へ出力される。なお、本実施例においても、非対称ＭＺ干渉計７０５および８０１経路遅延差は共に８００ｐｓとする。
【００７８】
４．２）動作
ＤＭＬ７０１〜７０４は、乱数／バッファ部５０２からの信号に従って、所定の繰返し周期で何れかのＤＭＬが光パルスを生成するようにそれぞれ制御される。本実施例では繰返し周期を６２５ＭＨｚとする。また、本実施例では、ＤＭＬ７０１〜７０４は、乱数／バッファ部５０２からの制御信号によりフレームパタンのタイミングで光パルスを出力しないように制御される。乱数バッファブロック５０２内での乱数Rnd1およびRnd2と、パルスを生成するＤＭＬとの対応および生成される光パルスの状態は次の通りである。
【００７９】
図１１（Ａ）は送信側の乱数Rnd1およびRnd2とパルスを生成するＤＭＬとの対応関係を示す図であり、図１１（Ｂ）は送信側で生成される２連光パルスの状態を示す模式図である。
【００８０】
まず、Rnd1およびRnd2が共に０である場合、ＤＭＬ７０２が光パルスを生成し、ＭＺ干渉計７０５の出力は２連光パルスとなる。Rnd1=1、Rnd2=0の場合、ＤＭＬ７０３が光パルスを生成し、ＭＺ干渉計７０５の出力は２連光パルスとなる。Rnd1=Rnd2=0の場合の相対光位相差を０（Ｘ０）とすると、Rnd1=1、Rnd2=0の場合の相対光位相差はπ（Ｘ１）となる。さらに、Rnd1=0、Rnd2=1の場合は、ＤＭＬ７０１が光パルスを生成し、ＭＺ干渉計７０５の出力は２連光パルスの内の位相の遅れた片パルス(Z1)のみの出力となる。また、Rnd1=1、Rnd2=1の場合はＤＭＬ７０４が光パルスを生成し、ＭＺ干渉計７０５の出力は２連光パルスの内の位相の進んだ片パルス(Z0)のみの出力となる。
【００８１】
このように、ビット毎にRnd1およびRnd2をランダムに設定し、光減衰器７０６で光強度を単一光子レベルにまで減衰して光伝送路３０へ送出する。２連光パルスは光伝送路３０を通過して単一光子受信ブロック６０１へと到達し、ＭＺ干渉計８０１によってデコードされ、光子検出器８０２〜８０５でそれぞれ検出される。本実施例では、光子検出器８０２〜８０５として非ゲート動作の超伝導光子検出器を使用する。
【００８２】
次に、上述した第１実施例と同様に１０ビットを１フレームとし、各フレーム先頭の２ビット分をフレーム同期用ビットとした場合の具体的な動作を図１２および図１３を参照して説明する。
【００８３】
図１２は本実施例における各ビットに対する量子状態のエンコーディングおよびデコーディングの一例を示すタイムチャートである。上述したように、本実施例では、フレーム同期パタンとして、Ｔ１のビットをＺ０、Ｔ２のビットをＺ１とする。各フレームの残りの８ビットを２つの乱数Rnd1およびRnd2でランダムに設定し、受信機６０へと送信する。
【００８４】
受信機６０では、非対称ＭＺ干渉計８０１を通過することで自動的に基底変調が施され、光子検出器８０２〜８０５へ出力される。積算パタン検出部６０２〜６０５では、光子検出器８０２〜８０５で光子検出が発生した時刻を逐次記録していくが、大半のパルスは検出できない為、検出結果は図１２の受信側の波形に示すように疎な状態となる。
【００８５】
積算パタン検出部６０２〜６０５では、第１実施例と同様に、任意の位相でそれぞれの受信データを１０ビット毎（１６ｎｓ毎）に分割し、繰り返し積算することでヒストグラムを生成する。
【００８６】
図１３は積算パタン検出部６０２〜６０５での積算結果（ヒストグラム）を示す模式図である。ここでは簡単の為に、全ての光子検出出力の位相を揃えた場合の積算結果を示している。図１３より明らかなように、積算パタン検出部６０２〜６０５のいずれの結果も、図中の太矢印の時間領域で明らかに積算結果がゼロになっているので、第１実施例と同様にしてフレーム内の同期パタンのビット位置を知ることができる。この太矢印を基準に、暗号鍵生成に使用する有効な検出イベントも知ることができる。これを図中の細矢印で示す。
【００８７】
以下、第１実施例と同様に、有効な検出イベントの一部を送信機５０に送信し、フレーム同期制御部５０３および６０６において１０ビットずつシフトさせながら、誤り率計算部５０４によって誤り率（あるいは一致率）を計算することでフレーム同期を確立することができる。
【００８８】
４．３）効果
本発明の第２実施例により、第１実施例に記載した効果以外に、以下の効果が得られる。すなわち、複数の光子検出器のデータ収集を行う回路の配線遅延量の変動に左右されず、安定したフレーム同期を確立することができる。これは、各光子検出器の出力から各々フレームパタンを検出する為、各光子検出回路の配線遅延量変動が問題とならない為である。
【００８９】
なお、第２実施例では、Z0とZ1の量子状態を利用してフレーム同期用パタンとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、同等の効果を生じる構成であれば本願発明を適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、量子暗号鍵配付技術に代表される微弱光を用いた通信に利用可能である。量子暗号鍵配付方法は、単一方向型・往復型、そのプロトコルを問わない。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の第１実施形態による微弱光通信システムにおける送信機および受信機の機能的構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態による微弱光通信システムの送信機および受信機の動作を示すフロートチャートである。
【図３】本発明の第１実施例による量子暗号鍵配付システムにおける単一光子送信ブロックの詳細な構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施例による量子暗号鍵配付システムにおける単一光子受信ブロックの詳細な構成を示すブロック図である。
【図５】本実施例における各パルスに対する量子状態のエンコーディングおよびデコーディングの一例を示すタイムチャートである。
【図６】本実施例における積算パタン検出方法を説明するための積算手順の一例を示す模式図である。
【図７】積算パタン検出を行わない場合のフレームパタンの検出過程を示す模式的なビット配列図である。
【図８】本発明の第２実施形態による微弱光通信システムにおける送信機および受信機の概略的構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第２実施例による量子暗号鍵配付システムにおける単一光子送信ブロックの詳細な構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第２実施例による量子暗号鍵配付システムにおける単一光子受信ブロックの詳細な構成を示すブロック図である。
【図１１】（Ａ）は送信側の乱数Rnd1およびRnd2とパルスを生成するＤＭＬとの対応関係を示す図であり、（Ｂ）は送信側で生成される２連光パルスの状態を示す模式図である。
【図１２】本実施例における各ビットに対する量子状態のエンコーディングおよびデコーディングの一例を示すタイムチャートである。
【図１３】積算パタン検出部６０２〜６０５での積算結果（ヒストグラム）を示す模式図である。
【図１４】ＢＢ８４プロトコルを概念的に示す説明図である。
【図１５】非特許文献５に開示された単一方向型ＱＫＤシステムを概略的に示すブロック図である。
【図１６】（Ａ）は単一方向型量子暗号配付システムの一般的な構成を示すブロック図であり、（Ｂ）はそのフレーム同期外れ状態を説明するための送受信ビット配列を示す図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０、５０  送信機（Ａｌｉｃｅ）
２０、６０  受信機（Ｂｏｂ）
３０  光伝送路
１０１  微弱光送信部
１０２  送信制御部
１０３  乱数記憶部
１０４  フレーム同期制御部
１０５  誤り率計算部
１０６  光通信部
２０１  微弱光受信部
２０２  受信データ記憶部
２０３  フレーム単位積算部
２０４  フレームパタン位相検出部
２０５  フレーム同期制御部
５０１  微弱光送信部
５０２  乱数／バッファ部
５０３  フレーム同期制御部
５０４  誤り率計算部
６０１  微弱光受信部
６０２〜６０５  積算パタン検出部
６０６  フレーム同期制御部
【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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【図１６】
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