(57)【要約】【課題】受信器内の回路だけで送受信器間のビット位置の同期を確立する。【解決手段】送信器１０は、ビット位置が相対的に定められた第一のビット列及び第二のビット列の情報に基づいて光パルス列に変調をする量子ユニット１００を有し、受信器２０は、変調した光パルス列を送信器１０から受信し、ビット位置が第一のビット列及び第二のビット列に対して相対的に定められた第三のビット列の情報に基づいて、受信した光パルス列に変調を行って第四のビット列を検出する量子ユニット２００と、この検出結果から送信器１０と受信器２０とのビット位置の認識が一致する場所を検索する照合回路２４０と、送信器１０と受信器２０とのビット位置の認識が一致するまで前記第三のビット列の情報を１ビットずつシフトする鍵生成制御部２１０と、を有し、量子ユニット２００は該シフトされた第三のビット列を用いて光パルス列に第二の変調をする。【選択図】図１
2009194632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の通信装置及び第二の通信装置と、これらの通信装置を接続するチャネルを備え、前記チャネルには光パワーが微弱な信号が伝送される微弱光通信システムであって、
前記第一の通信装置は、
ビット位置が相対的に定められた第一のビット列及び第二のビット列の情報に基づいて光パルス列に第一の変調をする第一変調手段と、
該第一の変調をした光パルス列を前記第二の通信装置へ送信する手段と、
を有し、
前記第二の通信装置は、
前記第一の変調をした光パルス列を受信する手段と、
ビット位置が第一のビット列及び第二のビット列に対して相対的に定められた第三のビット列の情報に基づいて、前記第一の通信装置から受信した光パルス列に第二の変調をする第二変調手段と、
該第二の変調をした光パルス列から第四のビット列を検出する検出手段と、
該検出結果から前記第一の通信装置と前記第二の通信装置とのビット位置の認識が一致する場所を検索するビット位置検索手段と、
前記第三のビット列の情報を１ビットずつシフトするビット列シフト手段と、
を有し、
前記ビット列シフト手段は、前記ビット位置検索手段による検索で前記第一の通信装置と前記第二の通信装置とのビット位置の認識が一致するまで前記第三のビット列の情報を１ビットずつシフトし、前記第二変調手段は該シフトされた第三のビット列を用いて光パルス列に前記第二の変調をすることを特徴とする微弱光通信システム。
【請求項２】
前記ビット位置検索手段は、前記第一の通信装置が前記第一のビット列に第一の固定のパタンを用いて送信した場合に、前記第四のビット列と前記第一の固定パタンを比較して一致率を計算し、該一致率が第一の閾値以下であれば認識が異なると判定し、第一の閾値以上であれば認識が一致すると判定することを特徴とする請求項１に記載の微弱光通信システム。
【請求項３】
前記第一の閾値は、１／２より大きく３／４より小さいことを特徴とする請求項２に記載の微弱光通信システム。
【請求項４】
前記第一の通信装置が前記第二のビット列に第二の固定パタンを用いて送信した場合に、前記第二変調手段は、前記第三のビット列に前記第二の固定パタンを用いて受信した光パルス列を変調し、前記検出手段は該変調がされた光パルス列から第四のビット列を検出し、前記ビット位置検索手段は、前記第四のビット列と前記第一の固定パタンを比較して一致率を計算し、該一致率が第二の閾値以下であれば認識が異なると判定し、第二の閾値以上であれば認識が一致すると判定することを特徴とする請求項１に記載の微弱光通信システム。
【請求項５】
前記第二の閾値は、３／４より大きく１より小さいことを特徴とする請求項４に記載の微弱光通信システム。
【請求項６】
前記第一の通信装置及び前記第二の通信装置において、前記第一の固定パタン及び前記第二の固定パタンをあらかじめ共有しておくことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の微弱光通信システム。
【請求項７】
前記第一の固定パタン及び前記第二の固定パタンは、前記第一のビット列及び第二のビット列の一部分であり、該一部分以外の前記第一のビット列及び第二のビット列のデータは乱数であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の微弱光通信システム。
【請求項８】
前記第一変調手段及び前記第二変調手段は、光パルス列を位相変調することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の微弱光通信システム。
【請求項９】
前記光パワーの微弱な状態は、１フォトン／ビットであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の微弱光通信システム。
【請求項１０】
第一の通信装置及び第二の通信装置と、これらの通信装置を接続するチャネルを備え、前記チャネルには光パワーが微弱な信号が伝送される微弱光通信システムにおけるビット位置検出方法であって、
前記第一の通信装置において、ビット位置が相対的に定められた第一のビット列及び第二のビット列の情報に基づいて光パルス列に第一の変調をする第一変調手順と、
該第一の変調をした光パルス列を前記第二の通信装置へ送信する手順と、
前記第二の通信装置において、前記第一の変調をした光パルス列を受信する手順と、
ビット位置が第一のビット列及び第二のビット列に対して相対的に定められた第三のビット列の情報に基づいて、前記第一の通信装置から受信した光パルス列に第二の変調をする第二変調手順と、
該第二の変調をした光パルス列から第四のビット列を検出する検出手順と、
該検出結果から前記第一の通信装置と前記第二の通信装置とのビット位置の認識が一致する場所を検索するビット位置検索手順と、
前記前記第三のビット列の情報を１ビットずつシフトするビット列シフト手順と、
を備え、
前記ビット列シフト手順は、前記ビット位置検索手順での検索で前記第一の通信装置と前記第二の通信装置とのビット位置の認識が一致するまで前記第三のビット列の情報を１ビットずつシフトし、前記第二変調手順は該シフトされた第三のビット列を用いて光パルス列に前記第二の変調をすることを特徴とするビット位置検出方法。
【請求項１１】
前記ビット位置検索手順は、前記第一の通信装置が前記第一のビット列に第一の固定のパタンを用いて送信した場合に、前記第四のビット列と前記第一の固定パタンを比較して一致率を計算し、該一致率が第一の閾値以下であれば認識が異なると判定し、第一の閾値以上であれば認識が一致すると判定することを特徴とする請求項１０に記載のビット位置検出方法。
【請求項１２】
前記第一の閾値は、１／２より大きく３／４より小さいことを特徴とする請求項１１に記載のビット位置検出方法。
【請求項１３】
前記第一の通信装置が前記第二のビット列に第二の固定パタンを用いて送信した場合に、前記第二変調手順は、前記第三のビット列に前記第二の固定パタンを用いて受信した光パルス列を変調し、前記検出手順は該変調がされた光パルス列から第四のビット列を検出し、前記ビット位置検索手順は、前記第四のビット列と前記第一の固定パタンを比較して一致率を計算し、該一致率が第二の閾値以下であれば認識が異なると判定し、第二の閾値以上であれば認識が一致すると判定することを特徴とする請求項１０に記載のビット位置検出方法。
【請求項１４】
前記第二の閾値は、３／４より大きく１より小さいことを特徴とする請求項１３に記載のビット位置検出方法。
【請求項１５】
前記第一の通信装置及び前記第二の通信装置において、前記第一の固定パタン及び前記第二の固定パタンをあらかじめ共有しておくことを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載のビット位置検出方法。
【請求項１６】
前記第一の固定パタン及び前記第二の固定パタンは、前記第一のビット列及び第二のビット列の一部分であり、該一部分以外の前記第一のビット列及び第二のビット列のデータは乱数であることを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載のビット位置検出方法。
【請求項１７】
前記第一の変調をする手順及び前記第二の変調をする手順は、光パルス列を位相変調することを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載のビット位置検出方法。
【請求項１８】
前記光パワーの微弱な状態は、１フォトン／ビットであることを特徴とする請求項１０乃至１７のいずれか１項に記載のビット位置検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微弱光を用いた通信システムに係り、特に送信器と受信器との間で送受信するデータのビット位置を互いに正しく認識する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子暗号鍵配送システムでは、ハイゼンベルクの不確定性原理に基づいて送信器と受信器との間での盗聴を高い確率で検出することが可能である。よって、量子暗号鍵配送システムでは盗聴されたことを検出することができるので、配送した鍵が安全であるかどうかが明確にわかる。つまり、量子暗号鍵配送システムでは配送された安全な鍵を絶対安全性が証明されているバーナム（Vernam）暗号の鍵として用いることで、高度な安全性を得ることができる。
【０００３】
次に、量子暗号鍵配送システムの鍵共有フローの一例として位相干渉を用いた場合（ＢＢ８４：Bennett Brassard 84）について簡単に説明する。ここで、量子チャネルとは、送信器から受信器へ送信する光パワーが１フォトン／ビット以下の微弱な状態の通信チャネルを示し、古典チャネルとは通常の光パワー領域での通信チャネルを示している。
【０００４】
この鍵共有フローは、図１０に示すように、
（１）送信器で暗号鍵の元データとなるランダムデータ（ａ）と、ランダムデータであって変調時の基底となる基底情報（ａ）（＋基底、Ｘ基底）と、によって位相変調データを生成して記憶する。
【０００５】
（２）送信器で光パルスを位相変調データによって位相変調し、送信器から受信器へ量子チャネルを介して送信する。
【０００６】
（３）受信器でもランダムな基底である基底情報（ｂ）（＋基底、Ｘ基底）に基づいて送信器からの光パルスを位相変調して干渉計を経て受信して、受信データ（ｂ）を得る。
【０００７】
（４）受信器で受信することができたビットの受信データ（ｂ）及び基底情報（ｂ）を記憶し、受信ビット番号及びそのビットの基底情報（ｂ）を、受信器から送信器へ古典チャネルを介して送信する。
【０００８】
（５）送信器では受信器から送られた基底情報（ｂ）と記憶していた基底情報（ａ）とを比較し、データビット（ａ）のうちの基底の合わないビットを破棄する。
【０００９】
（６）残ったランダムデータ（ａ）のうちの破棄されずに残ったビットのビット番号を有効ビット番号とし、送信器から受信器へ古典チャネルを介して送信する。
【００１０】
（７）受信器では送信器から送られた有効ビット番号以外の受信データ（ｂ）を破棄する。
【００１１】
（８）送信器と受信器とは選別鍵を共有する。
【００１２】
以上のような量子暗号鍵配送システムとして、以下の文献が存在する。
【特許文献１】特開平１１−３４６２１１号公報
【特許文献２】特開２００７−０２００１３号公報
【特許文献３】特開２００７−０３７０９１号公報
【特許文献４】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】
【００１３】
量子暗号鍵配送システムにおいても、送信側と受信側で情報を共有するためには、どのビットが検出され、どのビットが検出されなかったかを、送信器及び受信器の双方で特定できなければならない。言い換えれば、量子鍵配送システムでは送信器と受信器とでビット位置の同期を確立することが必要である。鍵生成フローにおいて、ビット位置の同期確立は大前提であり、同期が確立していないと最終鍵は生成できない。
【００１４】
しかしながら、量子暗号鍵配送システムは、従来の光通信と大きく異なり、光パワーレベルが単一光子（Single Photon）レベルと微少であるため、量子チャネルを利用して従来の光通信のようなクロック抽出やフレーム同期を行うことが不可能である。
【００１５】
このため、送信器はリファレンスとなる信号を、古典チャネルを介して受信器へ送信し、受信器はリファレンス信号を基にビット位置を特定する。この時点では送信データと受信データのビット位置の認識が合っているかどうかわからない。
【００１６】
特許文献４では、選別鍵を共有した後、受信器は選別鍵の一部を送信器へ送信し、送信器は選別鍵の誤り率を計算する。誤り率が５０％程度であれば、送信データと受信データは相関がないのでビット位置の同期は取れていない。そこで、（４）で送られてきた受信ビット番号の認識を１ビットずらして再び（５）〜（８）を繰り返す。誤り率が１０％程度以下となれば、照合している送信データと受信データの相関があると判断でき、ビット同期が確立している。
【００１７】
特許文献４では、これらの処理はソフトウエアによって行っていた。しかしながら、ビットシフトを繰り返した回数だけ送受信器間で古典チャネルを介した通信が発生し、誤り率計算量も増大して、同期を確立するまでの時間が長くなるという問題があった。また、誤り率を計算するため、（８）で共有した暗号鍵のうち、本来は鍵として使用するものの一部を公開するため、暗号鍵の乱数の性質を第三者に知られる可能性を残していた。更に、ソフトウエア処理が終了するまでの間、送信器と受信器は送受信したデータをメモリに格納し続ける必要があり、特に大容量システムにおいては、メモリ容量が膨大となる問題があった。
【００１８】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、送受信器間で古典チャネルを介した通信を行わずに、受信器内の回路だけでビット位置の同期を確立することが可能な微弱光通信システム及びそのビット位置検出方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上述の課題を解決するため、本発明に係る微弱光通信システムは、第一の通信装置及び第二の通信装置と、これらの通信装置を接続するチャネルを備え、前記チャネルには光パワーが微弱な信号が伝送される微弱光通信システムであって、前記第一の通信装置は、ビット位置が相対的に定められた第一のビット列及び第二のビット列の情報に基づいて光パルス列に第一の変調をする第一変調手段と、該第一の変調をした光パルス列を前記第二の通信装置へ送信する手段と、を有し、前記第二の通信装置は、前記第一の変調をした光パルス列を受信する手段と、ビット位置が第一のビット列及び第二のビット列に対して相対的に定められた第三のビット列の情報に基づいて、前記第一の通信装置から受信した光パルス列に第二の変調をする第二変調手段と、該第二の変調をした光パルス列から第四のビット列を検出する検出手段と、該検出結果から前記第一の通信装置と前記第二の通信装置とのビット位置の認識が一致する場所を検索するビット位置検索手段と、前記第三のビット列の情報を１ビットずつシフトするビット列シフト手段と、を有し、前記ビット列シフト手段は、前記ビット位置検索手段による検索で前記第一の通信装置と前記第二の通信装置とのビット位置の認識が一致するまで前記第三のビット列の情報を１ビットずつシフトし、前記第二変調手段は該シフトされた第三のビット列を用いて光パルス列に前記第二の変調をすることを特徴とする。
【００２０】
上述の課題を解決するため、本発明に係るビット位置検出方法は、第一の通信装置及び第二の通信装置と、これらの通信装置を接続するチャネルを備え、前記チャネルには光パワーが微弱な信号が伝送される微弱光通信システムにおけるビット位置検出方法であって、前記第一の通信装置において、ビット位置が相対的に定められた第一のビット列及び第二のビット列の情報に基づいて光パルス列に第一の変調をする第一変調手順と、該第一の変調をした光パルス列を前記第二の通信装置へ送信する手順と、前記第二の通信装置において、前記第一の変調をした光パルス列を受信する手順と、ビット位置が第一のビット列及び第二のビット列に対して相対的に定められた第三のビット列の情報に基づいて、前記第一の通信装置から受信した光パルス列に第二の変調をする第二変調手順と、該第二の変調をした光パルス列から第四のビット列を検出する検出手順と、該検出結果から前記第一の通信装置と前記第二の通信装置とのビット位置の認識が一致する場所を検索するビット位置検索手順と、前記前記第三のビット列の情報を１ビットずつシフトするビット列シフト手順と、を備え、前記ビット列シフト手順は、前記ビット位置検索手順での検索で前記第一の通信装置と前記第二の通信装置とのビット位置の認識が一致するまで前記第三のビット列の情報を１ビットずつシフトし、前記第二変調手順は該シフトされた第三のビット列を用いて光パルス列に前記第二の変調をすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、第一の通信装置は、ビット位置が相対的に定められた第一のビット列及び第二のビット列の情報に基づいて光パルス列に第一の変調を行い、第二の通信装置は、ビット位置が第一のビット列及び第二のビット列に対して相対的に定められた第三のビット列の情報に基づいて、前記第一の通信装置から受信した光パルス列に第二の変調を行い、この第二の変調をした光パルス列を基に第一の通信装置と第二の通信装置とのビット位置の認識が一致するか否かを判定し、このビット位置の認識が一致しないときは第三のビット列の情報を１ビットずつシフトし、このシフトされた第三のビット列を用いて光パルス列に第二の変調をすることをビット位置の認識が一致するまで反復することにより、送受信器間で古典チャネルを介した通信を行わずに、受信器内の回路だけでビット位置の同期を確立することが可能な微弱光通信システム及びそのビット位置検出方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（システム構成）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態における量子暗号鍵配送システムの構成を示すブロック図である。
【００２３】
図１において、量子鍵配送システムは送信器１０と受信器２０とから構成され、これらは量子チャネル３０により接続されている。ここで、量子チャネルとは送信器１０から受信器２０へ送信する光パワーが１フォトン／ビット以下の微弱な状態の通信チャネルである。
【００２４】
送信器１０には、量子鍵配送のための量子ユニット１００が設けられている。量子ユニット１００は、後述するビット位置検出フローを実行する鍵生成制御部１１０により制御される。鍵生成制御部１１０は、たとえばＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上にソフトウエアにより実装可能である。鍵生成制御部１１０は、プログラムメモリ１３０に格納されたビット位置検出プログラムを実行し、固定パタン生成器１２０を用いて後述するビット位置検出フローを実行する。
【００２５】
受信器２０には、量子鍵配送のための量子ユニット２００が設けられている。量子ユニット２００は、後述するビット位置検出フローを実行する鍵生成制御部２１０により制御される。鍵生成制御部２１０は、たとえばＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上にソフトウエアにより実装可能である。鍵生成制御部２１０は、プログラムメモリ２３０に格納された鍵生成プログラムを実行し、固定パタン生成器２２０及び照合回路２４０用いてビット位置検出フローを実行する。
【００２６】
図２は本実施の形態における温度無依存型Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の構成を示すブロック図であり、図１の量子ユニット１００及び２００の詳細を示している。
【００２７】
送信器１０の量子ユニット１００はＰＢＳループ１０４を有し、ＰＢＳループ１０４は、位相変調器１０２、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０３、及び変調器ドライバ１０５を備える。
【００２８】
位相変調器１０２は、通過する光パルス列に対して位相変調を行う。位相変調の深さは、鍵生成制御部１１０により与えられる位相制御信号により決定され、ここではデータ（０、１）及び基底（＋基底、Ｘ基底）の４通りの組み合わせにそれぞれ対応する４通りの深さ（０、π／２、π、３π／２）となる。位相制御信号は変調の深さに対応した電圧であり、光パルスが位相変調器１０２を通過するタイミングで位相変調器１０２に印加され、当該光パルスの位相変調が行われる。
【００２９】
ＰＢＳループ１０４はファラデーミラーと同様の機能を有し、入射光の偏光状態が９０度回転して送出される。本実施の形態のＰＢＳループについては後述する。
【００３０】
受信器２０の量子ユニット２００は、パルス光源であるレーザ（ＬＤ：Laser Diode）２０１と、光サーキュレータ２０２と、光カプラ２０３、短いパス（Short Path）２０４、長いパス（Long Path）２０５、位相変調器２０６及び偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０７からなる干渉計と、光子検出器２０８であるアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ０、ＡＰＤ１）と、を備える。なお、短いパス２０４と長いパス２０５は偏波保存ファイバであり、光サーキュレータ２０２と光カプラ２０３は偏波保存型である。また、位相変調器２０６はドライバ２０９により駆動される。
【００３１】
受信器２０の量子ユニット２００において、レーザ２０１より生成された光パルスＰは、光サーキュレータ２０２により光カプラ２０３へ導かれ、光カプラ２０３により２分割される。
【００３２】
分割された一方の光パルスＰ１は短いパス２０４を通ってＰＢＳ２０７へ送られる。
【００３３】
分割された他方の光パルＰ２は長いパス２０５に設けられた位相変調器２０６を通してＰＢＳ２０７へ送られる。
【００３４】
これら光パルスＰ１及びＰ２はＰＢＳ２０７で合波され、ダブルパルスとして量子チャネル３０を通して送信器へ送信される。
【００３５】
送信器１０において、量子チャネル３０から到来したダブルパルスＰ１及びＰ２は、ＰＢＳ１０３で更に分離され、時計回りのダブルパルスＰ１ＣＷ及びＰ２ＣＷと反時計回りのダブルパルスＰ１ＣＣＷ及びＰ２ＣＣＷの４つのパルス、すなわちカルテットパルスとなって位相変調器１０２をそれぞれ反対方向で通過し、それぞれ出射したポートとは反対のＰＢＳポートへ入射する。
【００３６】
位相変調器１０２は、時計回りのダブルパルスの後方のパルスＰ２ＣＷを前方のパルスＰ１ＣＷに対して位相変調するとともに、反時計回りのダブルパルスと時計回りのダブルパルスとの間にπの位相差を与える。
【００３７】
こうして必要に応じて位相変調されたカルテットパルスはＰＢＳ１０３で合波され再びダブルパルスに戻る。上述したように後方のパルスのみが伝送情報により位相変調されたので、出射ダブルパルスをＰ１及びＰ２＊ａと記す。このときＰＢＳループ１０４入射時に対して出射時は偏波が９０度回転しているので、結果的にファラデーミラーと同等の効果が得られる。この光パルスＰ１及びＰ２＊ａは、量子チャネル３０を通じて受信器２０に送信される。
【００３８】
受信器２０の偏光ビームスプリッタＰＢＳ２０７は、送信器１０から受信した光パルスＰ１及びＰ２＊ａの偏光状態が９０度回転していることから、これら受信パルスをそれぞれ送信時とは異なるパスへ導く。すなわち受信した光パルスＰ１は長いパス２０５を通り、位相変調器２０６を通過するとき指定された基底で位相変調されて光パルスＰ１＊ｂとなり、この光パルスＰ１＊ｂが光カプラ２０３に到達する。
【００３９】
他方、光パルスＰ２＊ａは送信時とは異なる短いパス２０４を通って、光カプラ２０３に到達する。
【００４０】
こうして送信器側で位相変調された光パルスＰ２＊ａと受信器側で位相変調された光パルスＰ１＊ｂとが干渉し、その結果が光子検出器２０８のＡＰＤ０又はＡＰＤ１により検出される。ここで、光パルスＰ２＊ａと光パルスＰ１＊ｂとが同じ基底（＋基底、Ｘ基底）で変調されている場合、送信したデータ０はＡＰＤ０で、データ１はＡＰＤ１で受信される。一方、光パルスＰ２＊ａと光パルスＰ１＊ｂとが異なる基底で変調されている場合、送信したデータ（０、１）はＡＰＤ０又はＡＰＤ１のどちらで受信されるかは確定しない。
【００４１】
（ビット位置検出フロー）
１．１生鍵生成
図３は本実施の形態によるビット位置の同期を説明するための生鍵生成の一例を示す模式図である。図３では次の手順で生鍵が生成される。
【００４２】
送信器１０の鍵生成制御部１１０は、第一のビット列として送信データ（０、１）と、第二のビット列として変調時の位相状態である基底Ａ（＋基底、Ｘ基底）とを固定パタン生成器１２０の２種の固定パタンを用いて生成し、送信データ（０、１）と基底Ａ（＋基底、Ｘ基底）との組み合わせによる４値の位相変調データを生成する。なお、本実施の形態では上述の特許文献４のように、送信データと基底Ａをメモリに格納する必要はない。
【００４３】
送信器１０の量子ユニット１００は、光パルスを位相変調データによって位相０、π、π／２、３π／２のいずれかに位相変調する（第一の変調）。なお、この光パルスは、前述のように受信器２０のレーザ２０１によって生成され、量子チャネル３０を通して送信器１０に送られてきたものである。
【００４４】
送信器１０は、位相０、π、π／２、３π／２のいずれかに位相変調した光パルスを、量子チャネル３０を通して受信器２０に送信する。
【００４５】
受信器２０の量子ユニット２００は、第三のビット列として基底Ｂを固定パタン生成器２２０で生成し、この基底Ｂに基づいて送信器１０から受信した光パルスを位相変調（第二の変調）して、干渉計により第四のビット列として受信データを検出する。この検出された受信データを生鍵という。なお、本実施の形態では上述の特許文献４のように、受信データと基底Ｂをメモリに格納する必要はない。
【００４６】
量子チャネルは光パワーが微弱であるため、送信器１０から送信した光ビットパルスのうちのほとんどは伝送路中の損失によって消滅し、受信器２０に届くのはほんの一部のパルスのみである。なお、図３では消失したビットは省略し、受信できたビットのみ表記している。
【００４７】
１．２受信ビット照合
図４は本実施の形態によるビット位置の同期を説明するための受信ビット照合の一例を示す模式図である。図４において次の手順で受信ビット照合が行われる。
【００４８】
送信器１０の固定パタン生成器１２０及び受信器２０の固定パタン生成器２２０は、あらかじめ同じ固定パタンを共有している。ゆえに、受信器２０は送信器１０と通信することなく送信データを知ることが可能となり、受信器２０は受信することができた受信データと送信データの照合を行うことができる。
【００４９】
送受信間でビット位置の同期がとれているとき、基底Ａと基底Ｂとが同じ変調の場合（確率１／２）、送信データ０又は１は、該当する受信器ＡＰＤ０又はＡＰＤ１でそれぞれ受信される（確率１）。
【００５０】
一方、基底Ａと基底Ｂとが違う変調の場合（確率１／２）、送信データは受信器ＡＰＤ０又はＡＰＤ１のどちらで受信されるか確定しない（確率１／２）。よって、送受信器間でビット位置の認識が合っている場合、データの一致率は１×１＋１×１／２＝３／４となり、約７５％となる。
【００５１】
一方、図５は本実施の形態において送信器と受信器との間でビット位置の同期が確立していない一例を示す模式図である。このとき、受信器２０で受信することができた受信データと送信データを照合すると、受信データと送信データは何の相関関係もないので、データの一致率は約５０％となる。このように１ビットずれただけで一致率は急激に変化し、一致率が約７５％となる組み合わせは一箇所しか存在しない。そこで、受信データを送信データに対して１ビットずつずらしながらデータを照合して、一致率が約７５％となる場所を探し、受信データのビット位置の同期を確立することができる。
【００５２】
１．３基底照合
送信器１０の固定パタン生成器１２０と受信器２０の固定パタン生成器２２０はあらかじめ同じ固定パタンを共有している。ゆえに、受信器２０は送信基底Ａとまったく同じ受信基底Ｂを生成し、受信パルスを変調することが可能である（送信基底Ａ＝受信基底Ｂ）。しかしながら、送受信器間でビット位置の認識が合っていない場合、送信基底Ａと受信基底Ｂは確率１／２でしか一致しないので、データ一致率は図４に示すとおり、７５％のままである。
【００５３】
図６は本実施の形態によるビット位置の同期を説明するための基底照合の一例を示す模式図である。図６では、図４と比較して基底Ｂの変調位置を１ビットずらしている。送信器１０の位相変調器１０２で基底Ａによって変調された光パルスは、受信器２０の位相変調器２０６でまったく同じ基底Ｂによって変調される。このとき、送受信器間で基底がすべて一致しているので、送信データ０又は１は、該当する受信器ＡＰＤ０又はＡＰＤ１のそれぞれで必ず受信される。よって、一致率は約１００％となる。
【００５４】
これを図１及び図２を用いて説明すると、受信器２０の固定パタン生成器２２０で生成した基底Ｂにしたがって、鍵生成制御部２１０は量子ユニット２００のドライバ２０９を駆動して量子チャネル３０からやってくる光パルスを位相変調器２０６で変調する。このとき、送信基底Ａと受信基底Ｂが同じデータパターンであっても（送信基底Ａ＝受信基底Ｂ）、ビット位置の同期が取れていないと、すべての光パルスに送信器と受信器で同じ変調が施されない。そこで、鍵生成制御部２１０が、後述する手法で一致率を確認しながら、ドライバ２０９を駆動するデータを１ビットずつずらすビット列シフトをすることにより、位相変調器２０６を光パルスが通過するときに印加する電圧を時間的に１ビット分ずらし、通過する光パルスを変調する。
【００５５】
このように、位相変調器２０６にフィードバックを行い、基底Ｂと光パルスの関係を１ビットずつシフトすることによって、全ての光パルスに送信器と受信器とで同じ基底で変調を行う場所を見つけることができる。
【００５６】
１．４一致率
図７は本実施の形態における一致率計算回路の一例を示す図である。ビット位置の認識が一致する場所を検索する照合回路２４０は、受信レジスタ２４０−１、シフトレジスタ２４０−２、ＡＮＤ回路２４０−３及びカウンタ２４０−４から構成される。また、基底Ｂの固定パタン生成器と量子ユニットの間にはシフトレジスタ２７０が設けられている。
【００５７】
固定パタン生成器２２０で生成した送信データはシフトレジスタ２４０−２に格納される。量子ユニット２００で受信された受信データは電気信号に変換され、受信レジスタ２４０−１へ一時的に格納される。ここで、受信レジスタ２４０−１に格納されている受信データとシフトレジスタ２４０−２に格納されている送信データとを対応するアドレス同士で比較してＡＮＤを取ると、データが一致したビットのみフラグが立つ。このフラグの数をカウンタ２４０−４でカウントすることによって、一致するビットの数を数えることができ、一致率が計算できる。
【００５８】
一致率の結果は鍵生成制御部２１０へ伝え、鍵生成制御部２１０は一致率の結果をシフトレジスタ２４０−２へフィードバックしてシフトレジスタ内のデータを１ビットシフトする。これを繰り返し、一致率が７５％以上となるシフトレジスタの位置を決定する。
【００５９】
更に、固定パタン生成器２２０で生成した基底Ｂのデータはシフトレジスタ２７０に格納される。鍵生成制御部２１０は、シフトレジスタ２７０へフィードバックして、量子ユニット２００の位相変調器２０６が変調する光パルスを隣のパルスへ変更する。この結果、量子ユニットで受信される受信データが変わるので、受信レジスタの内容が書き換わる。
【００６０】
データが新しくなった受信レジスタ２４０−１とシフトレジスタ２４０−２のデータを再びＡＮＤ回路２４０−３で比較して、一致ビット数をカウントする。シフトレジスタ２７０のシフトを繰り返し、一致率が約１００％になるシフトレジスタ２７０の位置を決定する。
【００６１】
（量子鍵生成）
図８は本実施の形態における量子チャネル３０のフレーム構成を示す図である。量子チャネル３０では送信したデータのほとんどのビットが伝送路中で消失するため、信頼性のある一致率を計算するためには消失するビット数を見込んだ固定パタン列を送信しなければならない。
【００６２】
送信器１０の固定パタン生成器１２０は、例えば５０００００（〜２１９）ビットのパタンを生成し、量子チャネル３０を介して送信する。このとき受信器に届くビットは伝送路や受信器２０のパラメータに依存し、例えば５００ビット程度である。
【００６３】
ビット位置の同期は一度確立すれば、同期が外れるまでは、ビット位置検出フローを行う必要はない。しかし、同期状態が保たれているかどうか定期的に確認する必要があるので、例えば毎秒一回５０００００ビットの固定パタンを送って一致率をカウントすればよい。量子チャネルの固定パタン以外のビットでは乱数１７０を送信し、この乱数を用いて送受信器間で量子鍵を共有する。
【００６４】
図９は量子鍵生成時の量子鍵配送システムの構成を示す図である。図１と異なる点は、送信器１０及び受信器２０に古典チャネル４０用の光送受信器１５０、２５０及び鍵メモリ１６０、２６０が設けられていることである。量子チャネル３０で送信すると送信データのビットが伝送路中で消失するため、量子鍵の生成時は乱数データと基底を鍵メモリに格納し、古典チャネル４０を介して照合処理を行う必要があるからである。
【００６５】
以上のように、同期確立時において、送信器１０はあらかじめ共有しておいた固定パタンを用いて光パルスを変調して送信し、受信器２０はビット位置の一致率の計算結果を位相変調器２０６にフィードバックすることにより、送受信器間で古典チャネルを介した通信を行わずに受信器内の回路だけでビット位置の同期を確立することが可能になる。この結果、高速で安全なビット位置の同期が実現できる。また、送受信データをメモリに格納する必要がないため、メモリ容量を縮小することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、上述したＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の双方向方式だけでなく、一方向の量子暗号鍵配送技術にも適用可能である。また、量子鍵配送だけでなく、信頼性の低いチャネルを含むあらゆる通信システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態における量子暗号鍵配送システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態における温度無依存型Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の構成を示すブロック図である。
【図３】本実施の形態によるビット位置の同期を説明するための生鍵生成の一例を示す模式図である。
【図４】本実施の形態によるビット位置の同期を説明するための受信ビット照合の一例を示す模式図である。
【図５】本実施の形態において送信器と受信器との間でビット位置の同期が確立していない一例を示す模式図である。
【図６】本実施の形態によるビット位置の同期を説明するための基底照合の一例を示す模式図である。
【図７】本実施の形態における一致率計算回路の一例を示す図である。
【図８】本実施の形態における量子チャネル３０のフレーム構成を示す図である。
【図９】量子鍵生成時の量子鍵配送システムの構成を示す図である。
【図１０】量子暗号鍵配送システムの鍵共有フローの一例を説明するシーケンス図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０  送信器
２０  受信器
３０  量子チャネル
４０  古典チャネル
１００  量子ユニット
１０２  位相変調器
１０３  ＰＢＳ
１０４  ＰＢＳループ
１０５  変調器ドライバ
１１０  鍵生成制御部
１２０  固定パタン生成器
１３０  プログラムメモリ
１５０  光送受信器
１６０  鍵メモリ
１７０  乱数
２００  量子ユニット
２０１  レーザ
２０２  光サーキュレータ
２０３  光カプラ
２０４  短いパス
２０５  長いパス
２０６  位相変調器
２０７  ＰＢＳ
２０８  光子検出器
２０９  ドライバ
２１０  鍵生成制御部
２２０  固定パタン生成器
２３０  プログラムメモリ
２４０  照合回路
２４０−１  受信レジスタ
２４０−２  シフトレジスタ
２４０−３  ＡＮＤ回路
２４０−４  カウンタ
２５０  光送受信器
２６０  鍵メモリ
２７０  シフトレジスタ
【図１】
2009194632.tif 000003
【図２】
2009194632.tif 000004
【図３】
2009194632.tif 000005
【図４】
2009194632.tif 000006
【図５】
2009194632.tif 000007
【図６】
2009194632.tif 000008
【図７】
2009194632.tif 000009
【図８】
2009194632.tif 000010
【図９】
2009194632.tif 000011
【図１０】
2009194632.tif 000012