(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのステーションが外部ソースから両ステーションに送信される単一光子信号をそれぞれ独立的に順次変調し、前記信号はその後に第３のステーションに送られ、第３のステーションは前記信号の状態を検出し、元々送信された信号の状態と前記信号の状態とを比較し、比較の結果を２つのステーションに通信し、２つのステーションはそれにより２つのステーション間のトラフィックの後の暗号化のための共有秘密キーを設定する量子暗号法を使用する通信の方法。
【請求項２】
第３のステーションは、単一光子信号用のソースを具備し、予め定められた位相または偏光状態で符号化された信号をソースから送信し、単一光子検出器を具備し、２つのステーションから戻った単一光子信号の状態を測定する請求項１記載の方法。
【請求項３】
単一光子信号は、２つのステーションから第３のステーションへのループバック路を有するネットワーク上で送信される請求項２記載の方法。
【請求項４】
多数のステーションが共通の通信ネットワークによって第３のステーションに接続されており、さらにこの方法は、多数のステーションのうちの選択された２つが相互秘密キーを設定するために単一光子信号の特定の送信を使用する排他的権利を設定する最初の競合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５】
異なる演算子を使用して２つのステーションによって変調されたことが決定された拒絶されたデータの統計を、予め定められたしきい値と比較するステップを含んでいる請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
量子チャンネルを伝送するように構成された通信ネットワークと、単一光子信号をネットワークに出力するように構成された単一光子ソースと、ネットワークに接続され、単一光子信号を順次変調するように構成された変調器をそれぞれ含む２以上のステーションと、２以上のステーションによるその変調後に単一光子信号を検出するように構成された単一光子検出器を含む第３のステーションとを具備し、使用において、第３のステーションは元々送信された信号の状態と受信された単一光子信号の状態とを比較して、比較の結果を２つのステーションに通信し、２つのステーションはそれにより共有秘密キーを設定する通信システム。
【請求項７】
第３のステーションは、単一光子ソースおよび単一光子検出器の両方を含んでいる請求項６記載のシステム。
【請求項８】
ネットワークは、２つのステーションから第３のステーションへのループバック路を含んでいる請求項７記載のシステム。
【請求項９】
多数のステーションが、共通の通信ネットワークによって単一光子ソースに接続されている請求項６乃至８のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１０】
多数のステーションのそれぞれは、多数のステーションから選択された２つのステーション間に相互秘密キーを設定するために確保されている単一光子信号を変調されない状態にしておくために、最初の競合ステップで第３のステーションによって送信された制御信号に応答する請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
通信ネットワークは光ファイバベースのＬＡＮである請求項６乃至１０のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１２】
量子チャンネルを伝送するように構成された通信ネットワークと、通信ネットワークに接続された送信機ステーションと、通信ネットワークに接続され、単一光子信号を順次変調するように構成された変調器をそれぞれ含む２以上の受信機ステーションとを具備する量子暗号化システム中で使用される送信機ステーションにおいて、
単一光子信号を量子チャンネルに出力するように構成された単一光子ソースと、
２以上の受信機ステーションによる変調後に量子チャンネルから受信される単一光子信号を検出するように構成された単一光子検出器と、
量子チャンネルに送信された単一光子信号の状態と受信された単一光子信号の状態とを比較する手段と、
通信ネットワークに接続された２つの受信機ステーションに比較の結果を通信する手段とを具備し、
比較の結果に基づいて、２つの受信機ステーションは共有秘密キーを設定する送信機ステーション。
【請求項１３】
量子チャンネルを伝送するように構成された通信ネットワークと、通信ネットワークに接続された２以上の受信機ステーションと、単一光子信号を量子チャンネルに出力するように構成された単一光子ソースと２以上の受信機ステーションによる変調後に量子チャンネルから受信される単一光子信号を検出するように構成された単一光子検出器と量子チャンネルに送信された単一光子信号の状態と受信された単一光子信号の状態とを比較する手段と通信ネットワークに接続された２つの受信機ステーションに比較の結果を通信する手段とを含み、通信ネットワークに接続された送信機ステーションとを具備する量子暗号化システム中で使用される受信機ステーションにおいて、
量子チャンネルから単一光子信号を受信する入力と、
単一光子信号を変調する手段と、
変調された単一光子信号を量子チャンネルに戻すよう構成された出力とを具備している受信機ステーション。
【発明の詳細な説明】
［発明の背景］
本発明は、量子暗号法を使用して暗号化されたデータを通信するシステムに関する。
量子暗号法は、キーの秘密が保証されることができる方法で通信システムの利用者の間において秘密キーを分配する方法である。これは、盗聴者が量子チャンネルで信号を盗聴したときに生じる伝送されたデータの統計の変化を検査することによって行われる。このような技術の例は、文献（C.H.Bennett,F.Bessette,G.Brassard,L.SalvailおよびJ.Smolin氏による"Experimental Quantum Cryptography",Journal of Cryptography,53,1992年）および下記の他の参考文献に記載されている。この分野における本出願人による近年の研究は、本出願人の別出願の国際特許出願PCT/GB93/02075およびPCT/GB93/02637、並びに同日出願された２つの別の国際特許出願“QUANTUM CRYPTOGRAPHY ON A MULTIPLE ACCESS NETWORK”（agent's reference 80/4541/03）および“QUANTUM CRYPTOGRAPHY”（agent's reference 80/4579/03）に記載されている。これらの別出願の内容は、ここでは参照にされている。
これまでは、量子暗号法を使用する全ての通信システムには秘密キーを設定した２つのパーティの少なくとも１つが単一光子信号のソースおよび、または単一光子検出器を有していることが必要とされていた。量子暗号システムの原案は２人の利用者（通常はアリスとボブと命名された）の間の全てポイントとポイントとの間のリンクを説明するものであった。本出願人の上記の国際特許出願明細書には、それぞれ異なる秘密キーが送信機アリスと多数の受信機ボブ（１）乃至ボブ（Ｎ）との間に設定される多重アクセスシステムにこの基本的な技術が拡張される方法が記載されている。
［発明の要約］
本発明の第１の観点によると、それぞれ独立した２つのステーションが外部ソースから両ステーションに送信された単一光子信号を順次変調し、信号の状態を検出する第３のステーションに後続的に到達する前記信号が始めに送信された信号の状態とそれを比較し、比較の結果を２つのステーションに伝達し、それによって２つのステーションが共有される秘密キーを設定することを特徴とする量子暗号法を使用した通信方法が提供されている。
本発明は、例えば光ネットワークに接続された任意の対の利用者が彼等の間で秘密キーを設定することを可能にする新しい量子暗号方法を提供する。このキーはその２人の利用者の秘密であり、ネットワークに接続されている他のステーション、および単一光子信号のソースを提供する送信機には知られていない。利用者ボブ(1)およびボブ(2)は、単一光子信号を変調するだけでよいので、単一光子を生成または検出するために必要な高価で特殊化された装置を有する必要がない。これは、秘密キーを設定した２つのパーティの少なくとも１つが単一光子を生成しおよび、または検出する手段を有していることが要求される従来の提案と比べて非常に実際的な利点である。
第３のステーションは単一光子信号用のソースを具備し、予め定められた位相または偏光状態で符号化された信号をソースから送信し、また単一光子検出器を具備して、２つのステーションから戻った単一光子信号の状態を測定することが好ましい。
多数のステーション（ボブ(1),(2)…ボブ(N)）は、共通の通信ネットワークによって送信機ステーションに接続されていることが好ましく、さらにこの方法は多数のステーションのうちの選択された２つが相互秘密キーを設定するために単一光子信号の特定の送信を使用する排他的権利を設定する最初の競合ステップを含んでいる。
本発明は、例えば良く知られているＦＤＤＩ光ファイバエターネットワークのような光ファイバベースのＬＡＮにおいて使用してもよい。このようなネットワークでは、例えば10個のクライアントステーション（ボブ1…ボブ10）が、送信機ステーションアリスと共にリング構造でネットワークに接続される。このようなネットワークにより本発明の方法が使用されることができるが、２つのステーションだけが量子チャンネルにおいて任意の１つの送信または一連の送信からキーを設定することができる。したがって、異なるステーションに対して競争過程が必要である。これらは、例えば互いにおよびそれらがキーを設定することを希望する送信機アリスに信号を送信する２つのステーションボブ(1)およびボブ(2)を含む。その後、アリスはある時間スロットがこのために使用されるネットワーク上の別の利用者に信号を送信する。それ以外の利用者は、ボブ(1)およびボブ(2)のために確保されている指定された時間スロット期間中は量子チャンネル上の信号を変調することを抑制される。
本発明は、本出願人の別出願の国際特許出願PCT/GB93/02075号明細書に記載された排除されたデータプロトコール、以下説明する最初のＩＢＭ記録［３］に記載された４状態プロトコールまたはその代わりとして以下さらに詳細に説明する２状態プロトコールを含む多種の異なる量子暗号化プロトコールを使用したシステムに適用されることができる。
本発明の第２の観点によると、量子チャンネルを伝送するように構成された通信ネットワークと、単一光子信号をネットワークに出力するように構成された単一光子ソースと、ネットワークに接続され、単一光子信号を直列的に変調するように構成された変調器をそれぞれ含む２以上のステーション（ボブ(1)，ボブ(2)）と、２以上のステーション（ボブ(1)，ボブ(2)）によるその変調後に単一光子信号を検出するように構成された単一光子検出器を含む第３のステーション（アリス）とを具備し、使用時に第３のステーションアリスが始めに送信されたもとの信号の状態と受信された単一光子信号の状態を比較して、２つのステーションに比較の結果を伝達し、２つのステーションが共有される秘密キーを設定する量子暗号方法で使用される通信システムが提供される。
［図面の説明］
以下、添付図面を参照して本発明を実施するシステムを例示としてさらに詳細に説明し、本発明の理論的な背景を示す。
図１は、本発明を含むネットワークを概略的に示した図である。
図２は、図１のネットワークにより使用される４状態プロトコールを示す。
図３は２状態プロトコールである。
図４は単一光子ソースである。
図５は、図１のトポロジーを含むネットワークをさらに詳細に示す。
図６は単一光子検出器である。
図７は、別のネットワークトポロジーを概略的に示した図である。
図８は分岐された多重アクセスネットワーク図である。
図９ａおよび９ｂは、位相符号化を使用する１実施例において使用される送信機および検出段である。
［実施例の説明］
図１に示されているように、通信ネットワーク１はリングトポロジーを有する。多数の利用者ボブ(1)…(N)はネットワークに順次接続される。アリスと呼ばれる別の利用者は単一光子信号のソースおよび検出器を含んでいる。実際には、ネットワークは例えばファイバベースのコンピュータＬＡＮであってもよい。この場合、アリスは典型的にネットワークサーバーであり、他のステーションボブ(1)…ボブ(N)は顧客ステーションである。
使用時、アリスによって生成された単一光子信号は量子キー分配のために使用される量子チャンネルを伝送するために使用される。任意の時に、例えばボブ(1)およびボブ(2)等の選択された１対の利用者は、共有される秘密キーを設定するために量子チャンネルにアクセスする。アリスは、予め定められた既知の状態で多数の単一光子をネットワークに送信する。ボブ(1)およびボブ(2)はそれぞれ独立的にランダムにこれらの光子を変調し、それらの量子状態を変化させる。例えば、それらは偏光回転を実行する。その代わりとして、このシステムは位相変調を使用するように構成されてもよい。したがって、信号は別のステーションによりそれ以上変調されずにネットワークを廻って伝送され、アリスによって受信される。アリスは送信されたときと受信されたときの光子の量子状態を比較する。アリスは、所定の時間スロットにおいて、彼女が測定した光子が彼女が始めに送信した光子状態と一致するか否かをネットワークに接続された利用者ボブ(1)…ボブ(N)に公表すなわち通知する。この情報および各時間スロットに対する彼等の私的変調設定状態の知識から、ボブ(1)およびボブ(2)は互いの変調器の設定状態を推測することができる。システムの利用者の間で合意された協定によって、異なる変調器設定状態は異なるビット値と関連し、それ故互いの変調器の設定状態を推測することによってボブ(1)およびボブ(2)はランダムビットストリングを決定することができる。その後、通常の量子暗号システムのように、ボブ(1)およびボブ(2)は公的ディスカッション位相に入ることができ、ここにおいて彼等はデータのサンプルに対して決定された値および実際の変調器設定状態を公的に伝達する（データはこの試験が実行された後に廃棄される）。したがって、量子チャンネルで送信されるものを盗聴する全ての盗聴者が、サンプルされたデータの中のある雑音しきい値より上の不一致の存在によって検出されることができる。
以下、このプロセスに適切なプロトコールをさらに詳細に説明する。
図５は、システムを構成する適切な装置をさらに詳細に示す。
図５に示されているように、通信システムは、リングトポロジィを有する受動光ネットワークＮを介して３個の受信機Ｒ1乃至Ｒ3（ボブ(1)乃至ボブ(3)に対応する）に接続された送信機または交換機Ｔ（図１におけるアリスに対応する）を含む。送信機Ｔは、量子チャンネルソース51および通常のトラフィックを伝送する信号を出力する通常の強度変調されたソースの両方を含む。量子チャンネルソース51および標準的なソース54は異なる波長λqおよびλsでそれぞれ動作する。量子ソース51からの出力は、切替え可能な減衰器59と、量子チャンネル波長λqに同調されたポラライザおよびバンドパスフィルタ58とを通過する。
図４は、量子ソース51をさらに詳細に示す。例えば750nmのＴｉ：サファイアであってもよいレーザ41が、例えばＫＤＰの非線形結晶42をポンプするために使用されてもよい。結晶のにより影響を与えられるパラメトリックのダウン変換は1.5μｍの光子の相関ツインビームを生成する。１つのビームにおける光子は光検出器43によって検出され、これは単一光子を通過させるためにシャッタ開くゲート44をトリガーする。
量子チャンネルソース51の別の構造が可能である。実際、レーザダイオードが使用されてもよく、一般にただ１個の光子が任意の所定の時間スロットでソースから生じるようにダイオードからの出力が高度に減衰され、平均でソースからの強度は時間スロット当たり１光子よりはるかに小さい。
各受信機は、λsの信号チャンネルに対する第１の標準的な検出器55と、量子チャンネル波長λqの多光子タイミング信号に対する検出器50と、この例では偏光変調器である変調器52とを含んでいる。クロック検出器50は、λqの弱いタップを生じさせるファイバ結合器501によってネットワークＮに接続されている。信号波長用の検出器55は、ＷＤＭ（波長分割マルチプレクサ）結合器57によってネットワークに接続される。ＷＤＭは、波長依存性結合特性を有するファイバ結合器である。この実施例の場合、ＷＤＭは理想的に直線経路を量子チャンネルに提供し、すなわちループからの結合率はλqで小さく、一方信号波長λsにおいて結合率はかなり大きい値ｆsを有する。以下、適切な値を示す。
利用者は、上記のプロトコールを使用してキーを設定する。このプロセスの開始時に、システムは量子チャンネル波長λqで多光子タイミングおよび較正信号を出力することによって初期化される。タイミングおよび較正プロセスは、上記の本出願人の別出願の国際特許出願明細書にさらに詳細に示されている。各受信機は、弱いタップおよび標準的な（すなわち多光子）変調器50を介してこれらのタイミング／較正パルスを監視し、それによって送信機とその局部クロックを同期する。送信機における検出システム53は、この例ではアバランシェフォトダイオードＡＰＤである単一光子検出器を含んでいる。例えば光電子増倍管等の単一光子を感知する別の検出器が使用されてもよい。ＡＤＰは、その感度を減少し、それによって多光子パルスからの飽和効果を避けるためにこの段階で弱くバイアスされる。この検出器の出力は、図６の偏光制御装置61を使用するリングの出力における偏光状態を直線化するために監視される。
分離した最初のタイミング／較正位相の代わりに、タイミング情報はクロック検出器50によって検出可能なレベルにパルスの強度をｐ個ごとに増加する（減衰器59を使用して）ことによって量子キー情報と同時に送られてもよい。飽和問題を回避するために各タイミングパルススロット期間中単一光子検出器をブランクする必要がある。これは、例えばＡＰＤに対する逆バイアスを減少することにより検出器の感度を低下させるか、或は単一光子検出器と直列に接続された第２の切替え可能な減衰器59によって実現される。その結果、理想的には単一光子検出器が各タイミングパルスに対して多数の単一光子パルスを受信するためにｐの下限と、各受信機における局部発振器の安定性によって決定される上限とが生じる。その代わりとして、量子チャンネルを隔離するために分離した波長およびＷＤＭ技術を使用して、或は特性が光学的または電子的のいずれかである分離したネットワークまたはチャンネルにわたって同時的なタイミングデータが送られてもよい。
タイミング／較正に続いて、減衰器59は単一光子出力を生成するようにソースを減衰するためにオンに切替えられる。その後、直線的に偏光された単一光子はネットワークに送信される。選択された受信機において単一光子信号は、例えば直線的な(0°，90°)または対角線的な(-45°，+45°)偏光状態のランダムに選択された偏光ベースを使用して変調される。受信機は各時間スロットにおいて使用された状態を記録する。受信機において使用された変調器は、例えば固体または液晶ベースのポッケルスセルの形態をとってもよい。
変調器を通過した後、単一光子信号は伝送して送信機によって再度受信される。そこで送信機は戻された光子を検出し、検出された偏光状態に応じて１または０を記録する。
この実施例において、図５において53で参照されている単一光子検出システムは図６に示された構造を有する。偏光分割器／結合器23は、光子の偏光状態に応じてそのポートの一方または他方から光子を出力する。各出力ポートに対して別々のＡＰＤを使用するのではなく、異なるポートの出力に対して異なる長さの通路を提供するネットワークによって分割器／結合器に接続された単一のＡＰＤ25が使用される。ＡＰＤは、ＳＰＣＭ-100 -ＰＱ（ＧＥカナダ・エレクトロ・オプティクス社製）またはＮＤＬ5102P（ＮＥＣ社製）等のシリコンまたはゲルマニウムＡＰＤである。ＡＰＤは、光子が長い通路を介して到達した時の遅延を識別するのに十分な時間分解能を有しており、したがって各光子はそれがクロック期間中の到達した時点に応じて０または１として記録される。２つの通路の再結合は、２入力１出力偏光結合器として動作する第２の偏光分割器結合器を使用してほとんど損失を伴わずに実行されることができる。適切な偏光分割器結合器はＪＤＳ  ＰＢ  １００である。それが結合器として使用された場合、ほぼ0.6ｄＢの損失を生じる。その代わりとして、Sifam P2S13AA50等の標準的な50/50偏光独立結合器が２つの通路を再結合するために使用されることができるが、これは3ｄＢの損失を生じる。
ＪＤＳ  ＰＢ  １００等の偏光結合器は、入力ファイバの２つの直交した偏光モードを一方のファイバが水平モードおよび他方のファイバが垂直モードの２つの出力ファイバに分離する１入力２出力ファイバ結合器である。これは、ウォラストン・プリズム等のバルク光学偏光器に機能的に等しい。偏光分割器への入力方向を反転した場合、一方のファイバに中の水平偏光状態は、他方のファイバ中の垂直状態に結合されて、低い損失の２入力１出力結合器を形成する。
多数のこのような単一光子信号の送信後、“公的”ディスカッション位相が実行される。それは別々の随意に非光学的なネットワークにおいて、或はこの実施例のように別のステップと同じネットワークで行われる。実際の量子チャンネルは検出器ダークカウントによる不可避の背景エラー率、およびファイバ中の偏光（または位相）状態の環境的に誘導された変動等の影響を受ける。この場合、公的ディスカッション位相は、エラー補正の付加的な段階およびいわゆる“プライバシー増幅”を含む。これは共に、両利用者ボブ(1)およびボブ(2)が同一のキーに到達し、盗聴者に漏れたキー情報が１ビットの随意で小さい部分であることを保証する。この過程は、文献（C.H.Bennett,F.Bessette,G.Brassard,L.SalvailおよびJ.Smolin氏による"Experimental Quantum Cryptography",J.Cryptology,5,3(1992)）に概略的に示されている。
図５に示された例において、標準的な信号トラフィックは第２の波長λsを使用してネットワークで伝送される。このデータは強度変調され、理想的には波長λqおよびλsでそれぞれ０およびｘの結合比率を有するＷＤＭ結合器を介して各受信機でアクセスされ、ここでｘはネットワークの全ての受信機が測定可能な信号を必要とする基準を満たすように決定される。信号チャンネルで送信されたデータは、量子チャンネルにわたって分配されたキーを使用して暗号化されてもよい。秘密を守るために新しいキーが周期的に送信されてもよい。
図５を参照して上記に説明された実施例において、単一光子は多光子信号パルスと反対の方向に送信される。しかしながら、これは本質的なものではなく、両方向送信が、量子チャンネル単一光子検出器に入射した信号光子数を最小にするためにファイバ結合器の方向性を利用することによって２つのチャンネルを分離することを助ける。このような分離の必要性は、量子および信号チャンネルの波長（λqおよびλs）での単一光子検出器の相対的な感度、並びに２つチャンネルが同時に動作するために必要とされるか否かに依存している。しかしながら、信号チャンネル中の電力は量子チャンネル中のもののほぼ106倍の可能性があるため、信号が単一光子検出器をすぐに飽和させ、したがって量子伝送においてエラーを発生する可能性を考慮することが必要である。それ故、２つのチャンネルの分離は、λqを通過させるが、λsを強く減衰する単一光子検出器の正面におけるＷＤＭ結合器および、または同一線上のフィルタの使用によって高められる可能性がある（図５における素子58は、信号チャンネルから量子チャンネルソースを分離するためにこのようなフィルタを既に含んでいることを留意されたい）。λsで必要とされる減衰の大きさは、信号および量子チャンネルが一方向に送信される場合に増加されるが、依然として上記の方法を使用して実現可能である。適切なファイバフィルタは、光屈折技術を使用して形成されたファイバ格子に基づいている。
別の実施例は、偏光変調ではなく位相変調を使用して量子チャンネルで単一光子信号を符号化する。この実施例では、図９ａおよび９ｂの送信機段および検出器段が図５の送信機／交換機Ｔの送信機段ＴＳおよび検出器段ＤＳと置換される。この実施例の送信機出力段において、第１のパルス半導体レーザ91は第１の波長λqで動作し、ここで例えばλq＝1300nmは量子チャンネル用の光源を提供する。レーザ91および位相変調器94用の変調器駆動装置93は、マイクロプロセッサ95によって制御される。位相変調器94は、送信機の１つの分枝に配置される。偏光制御装置ＰＣ（例えば、ＢＴ＆Ｄ／ＨＰ  ＭＣＰ1000）は、送信機の別の分枝に配置されている。第２の半導体レーザ92は、波長λsで明るい多光子ソースを提供し、ここにおいて例えばλs＝1560nmである。この信号は、上記されたタイミングおよび較正のために使用される。λsの信号は、例えばＪＤＳ  ＷＤ1315シリーズの装置であってもよいＷＤＭ結合器96を介して送信機の出力に結合される。
量子チャンネルおよびタイミング信号に対して別々のソースを使用する代わりに、融着されたファイバ結合器ＦＣを介して一方が減衰器を含み、他方が減衰されない２つの異なる分枝にその出力を供給する単一の半導体レーザが使用されてもよい。その後、明るいまたは減衰された出力のいずれかを選択するために光スイッチが使用されてもよい。周波数要求に応じて、ＪＤＳ  Ｆitel  ＳＷ12等の遅い電気・機械装置およびユナイテッド・テクノロジーズ・フォトニクスＹＢＢＭ等の速い電気・光装置のいずれが使用可能である。
この実施例の受信機において、各制御マイクロプロセッサ97は、変調器駆動装置99を介して受信機位相変調器98を制御する。受信機制御プロセッサはまた受信機単一光子検出器601用の検出器バイアス源600を制御する。信号路が分岐した送信機および受信機の両者において、融着されたファイバ50/50結合器が使用される。ＳＩＦＡＭからモデルP22S13AA50として適切な結合器が入手できる。波長λsのタイミング信号はＰＩＮ−ＦＥＴ受信機604によって検出される。
データ符号化および復号化に適切な位相変調器94、98は、例えば１乃至１０ＭＨｚで動作するニオブ酸リチウムまたは半導体位相変調器である。適切なニオブ酸リチウム装置は、ＩＯＣ  ＰＭ 1300として入手できる。同じタイプの位相変調器はまた各受信機において図５の偏光変調器52と置換されて使用されてもよい。位相変調器に適切な駆動装置はTektronix ＡＷＧ2020であり、これはまたシステム用クロックの発生器として使用されることができる。単一光子検出器に対して、図５を参照して上記に説明されたＡＰＤが使用されてもよい。さらに別のものとして、位相変調器は液晶ベースのポッケルセルであってもよい。変調器は、上記に示された本出願人の別出願の国際特許出願（ref:80/4541/03）に記載されたキラールスメクティックＣ  液晶セルまたはこのようなセルのスタックであってもよい。
位相変調器と図９ａおよび９ｂに示されたファイバ装置とを組合わせて、単一の集積された構造にすることによって大幅な改良を実現することができる。ここにおける設計に関する変形または文献（P.D.Townsend,J.G.RarityおよびP.R.Tapster氏によるElect.Lett.29,634(1993)）において説明されたものは、ニオブ酸リチウムチップに集積されることが可能であり、ファイバ路が導波体によって置換され、変調器領域が標準的な装置のように電極によって限定される。別の形成方法は、例えば光屈折的に限定された平坦なシリカ導波構造または半導体導波構造を含む。一般に、集積は送信機および受信機構造の安定性およびコンパクト化を改善する。実際に、この実施例は、例えばヒューズ7060Ｈ冷却装置または液体窒素デュワーまたは冷却器を使用して77度Ｋに冷却されたＮＥＣ5103Ｇｅ  ＡＰＤを使用している。受信機において、この実施例では“１”とラベル付けされた上方ブランチにおける遅延ループのために時間的に分離されている受信機の異なるブランチに対応した信号と共に単一のＡＰＤだけが使用されている。キー分配プロトコールには、受信された各光子が所定のクロック期間と関連させられ、それが生じた受信機のブランチに応じて０または１として識別されることが必要である。これらの機能は、時間間隔解析装置602（例えば、ヒューレット・パッカード53110A）によって実行される。この装置に対する開始信号は、例えばそれぞれレクロイ(Lecroy)612およびレクロイ821でもよい増幅器および弁別器を具備した回路603による処理の後、ＡＰＤ出力によって供給される。
上記されたタイミング信号は、その後量子チャンネル上でキーデータのバーストを開始するために使用される単一のトリガーパルス、またはキー送信の間に受信機クロックを再設定するために使用されるシステムクロック周波数の連続したパルス流のいずれの形態を取ることができる。キー送信が始まる前に、受信機は干渉計における位相シフトをゼロにするために位相変調器のＤＣバイアスレベルを変化させる（すなわち、光子送信の可能性が一方の出力ポートにおいて最大にされ、他方で最小にされる）。図９ａおよび９ｂはまた量子チャンネルパルスの２個の成分が送信機および受信機を通って伝播するときに受ける相対的な空間的、時間的および偏光的変化を示す。システム中の全てのファイバが偏光保存性である場合、システムにおいて活動的および静的偏光制御装置は不要である。しかしながら、標準的なファイバが送信リンクに対して使用された場合、活動的な偏光制御が受信機への入力において要求される。これは、本出願人の別出願の国際特許出願PCT/GB93/02637(WO94/15422)に記載された標準的な検出器、フィードバック回路および自動偏光制御装置を使用して実行されることができる。
ここまで説明された実施例は全てアリスから２人のボブを介してアリスに戻るループバック路を有するネットワークを使用しているが、本発明はこのようなネットワークトポロジーでの使用に限定されるものではない。例えば、図７に示されているように、本発明は線形ネットワークで構成されてもよい。この場合、単一光子ソースはアリスから遠方に配置されている。ソースは、既知の予め定められた状態で光子を準備し、その後それらはアリスによって検出される前に、ボブ(1)およびボブ(2)により制御される変調器を通って順次伝送される。アリスは単一光子検出器を使用し、既知のベースで測定する。その後、彼女はその結果を２人のボブに通知し、上記の方法を使用して相互秘密キーを設定する。
同日に出願された本出願人の別出願の国際特許出願("QUANTUM CRYPTOGRAPHY ON A MULTIPLE ACCESS NETWORK")には、ツリー形状を使用したネットワークを含む多重アクセスネットワークが記載されている。図７を参照して上記に示された方式はこのようなツリーネットワークに適用されることができ、このようなネットワーク中の受信機が単一光子検出器ではなく変調器を使用して動作することを可能にする。図８に示されているように、これは、単一の予め定められた状態で光子を単に出力するのではなく、ランダムなデータ流を使用して光子を変調する単一光子ソースを含むネットワークを使用して行われる。したがって、図８のネットワークにおいて使用されるソースは、図７のソースと第１の変調ステーションであるボブ(1)との組合せに事実上等しい。各サブステーションにおける受信機ステーションは受信された単一光子信号を変調し、例えば線形光学バスにより異なる受信機ステーションに接続された測定ステーションにそれを伝送する。その後、測定ステーションはその測定の結果を通知する。
実際に、ソースおよび測定ステーションの両者は交換機によって（またはＬＡＮ構造におけるサーバーによって）制御される可能性があり、この技術は利用者ボブと交換機との間にキーを設定する別の方法を提供する。これは、交換機に関して秘密キーを設定した後に、そのキーが交換機から選択された２人の利用者に送信された別のキーの暗号化に使用された場合、ネットワーク上の異なる利用者ボブ(1)，ボブ(2)の間における相互キーの設定に拡張されることができる。これらの状況において、利用者は互いからの秘密を有するが、交換機は依然としてキーへのアクセスを制御する。
一般に、交換機がキーへアクセスせずに多数の利用者の間で共有する普遍的キーが存在するためには、ネットワークはリング構造または等価なトポロジーを有していなければならない。例えば、図８のネットワークの分枝に示されたもののようなサブネットワークは図１のトポロジー中の各利用者と置換されてもよい。
以下、本発明の実施例での使用に適したプロトコールの例をさらに詳細に説明する。
1980年代の初期に開発され、ＩＢＭ［３］に設けられたチームによって実験的に発表された最初のプロトコール［１，２］は、４つの量子状態に基づいたコード化方式を使用する。便宜上、２次元ヒルベルト空間で量子システムを説明するためにスピン表記を使用する。したがって、光子偏光は例えばこの表記で表されることができる。もとのプロトコールにおいて使用される４つの状態およびそれらの拡大は、次の関係で与えられる。
0003734830.tif 000002
“＋”状態すなわち“スピンアップ”状態は論理“１”を表わし、“−”状態すなわち“スピンダウン”状態は論理“０”を表わす。接尾辞“Ｚ”を付けられた２つの状態は、例えば２次元ヒルベルト空間に及んでおり、正規直交基底を形成する。したがって、Ｚ基底を使用することによって単一の２進デジットが符号化されることができる。ＺおよびＸ基底は共役であるため、ビットがＺ基底で符号化された場合に、Ｘ基底で符号化されたビットを読取ることを意図された測定は、確率的な結果を生成する。Ｚ基底でビットを読取ることを意図された測定は間違いなく正しい結果を生成する（もちろん完全な測定効率を仮定して）。さらに測定が行われると、状態は観察可能な測定の固有状態に投影されるため、間違った測定が行われた場合、原理的に最初のビットの復元は不可能である。
これらの基本的な量子結果は、以下のプロトコール（ＢＢ８４プロトコール［２，３］）の適用によって秘密のＱＫＤ（量子キー分配）を提供するために使用されることができる。
アリスは、ランダムに選択された４つの可能な状態（２．１）の１つで光子を準備する。この光子は、スピン（偏光）方向の１つに沿ってランダムにアリスと無関係に測定するために選択したボブに送信される。アリスおよびボブの両者は、彼等の選択および測定の結果を記録する。
ボブは、彼が受信した各光子に対してどの基底を測定するために選択したかを公的にアナウンスするが、結果（すなわち“１”または“０”）はアナウンスしない。アリスは、彼女が使用した基底のリストとこれを比較し、異なる基底において処理され測定された任意の光子からの結果が廃棄される（または排除される）。
盗聴が行われていないないとき、アリスとボブはエラーのない完全なシステムにおいて同一のデータのコピー（すなわち、同一の２進シーケンス）を有していなければならない。彼等は任意の盗聴者をチェックする必要があり、彼等は彼等のリストからデータのランダムなサブセットを選択して、公的にそれらを比較することによってこれを実行する。盗聴の試みはボブのシーケンスを不可避に劣化させ、比較時に明らかにされる。
公的な比較によってそれらのデータのエラー率の評価を実行した後、アリスとボブは、エラーが高くない（ほぼ10％が実際的な限界と考えられる）場合、それらのデータ中のエラーを補正するために公的なエラー調停プロトコール［５］に入る。これは、廃棄されなければならない何ビットかを不可避に犠牲にする。
それらの調停過程を行った後、彼等は、盗聴者がジョイントシーケンスについて所有する情報の量を可能なだけ減少するためにプライバシー増幅として知られた別のプロトコール［６］を採用する。この過程の後、アリスおよびボブは、後にキーとして使用されることができるデータの同一の秘密のシーケンスを有していることを非常に高い信頼性レベルで確信することができる。
上記のプロトコールは、アリスおよびボブの２人の利用者が単一光子の特性を使用して秘密キーをどのようにして設定することができるかを示している。考察された構造は、アリスとボブとの間の簡単なリンクのものである。ボブ(1)およびボブ(2)が、相互の秘密キーの設定を希望するループバックネットワークをハングオフしている２人の利用者であり、アリスが単一光子のブロードキャスターおよび供給者である（図１を参照されたい）場合、このプロトコールは変更される。さらに、装置ボブ(1)およびボブ(2)の使用法は、アリスとボブとの間の直線リンクにおいて要求されるものと異なっている。
ボブ(1)およびボブ(2)が秘密キーの設定を希望するループバックネットワークに関してＢＢ８４タイプのプロトコールの構成を考慮する。アリスは、限定状態でネットワークに単一光子のシーケンスを供給する（この場合、彼女は、｜＋＞Z状態で光子を送信すると仮定する）。ボブ(1)は、各時間スロットにおいて４つの可能な変調の組からランダムに選択された１つの変調を行う（この場合、スピン方向の回転であるが、これは選択されたＱＫＤの特定の構成に応じて位相変調または偏光の回転であることもできる）。この変調の結果は光子を４つの状態（２．１）の１つにし、その後それがボブ(2)に伝送される。ボブ(2)は、やはり４つの可能な変調の組からランダムに選択された各時間スロットに対して変調を行なう（ボブ(1)およびボブ(2)は独立的に選択しなければならず、すなわちランダム数の独立したソースを有していなければならない）。この第２の変調の結果は、後にネットワークを廻って伝播し、最終的に彼女の元の伝送基底（この場合、Ｚ基底）で測定するアリスに戻る光子の状態を再度変化させる。彼女が結果“１”を得る場合、彼女はネットワークでメッセージ“一致”を公的に放送し、結果“０”を得る場合には、ネットワークでメッセージ“不一致”を公的に放送する。ボブ(1)およびボブ(2)は、どのクラスの変換を使用したのかを公的にアナウンスすることによって（しかし、それらの実際の変調設定ではなく）、このデータから秘密キーを推測することができる。あるものへのアクセスは盗聴者にキーを復元させることを可能にするので、両ボブの変調設定が秘密のままであることは困難である。
アリスがネットワークに｜＋＞Z状態を送信した場合、ボブ(1)が状態（２．１）の組を生成するために実行しなければならない変換は次のとおりである：
0003734830.tif 000003
ここで、
0003734830.tif 000004
はＹ軸に沿ったスピンを表わす演算子である。アリスによって供給される光子に対するこれらの変換の影響は次のとおりである：
0003734830.tif 000005
したがって、ボブ(1)からの出力状態は最初のＢＢ８４プロトコールで発生した４状態である。変換
0003734830.tif 000006
および
0003734830.tif 000007
を１つのグループにし、同様に変換
0003734830.tif 000008
および
0003734830.tif 000009
を１つのグループにする。最初の２つの変換の影響は基底を変化させず、放置しておくか、或は光子の状態に関してスピン・フリップを実行する。この２つの変換のグループを“Ｆ”グループ（スピンをフリップするか、またはその他）と呼ぶ。第２の対の変換の影響は基底を変化させ、このグループを“Ｃ”グループ（基底を変化させる）と呼ぶ。
ボブ(2)は、その後ネットワークを廻ってアリスに伝送された入って来た光子に関してランダムに選択された変換（２．２）の１つを実行する。アリスは、彼女の最初の基底（Ｚ基底）において測定し、その結果が始めに送られたビットと一致した（すなわち、それが論理“１”である）場合、彼女は適切な時間スロットに対して結果が“一致”であったというメッセージを放送する。彼女の測定の結果が論理“０”であった場合、彼女はメッセージ“不一致”を放送する。ボブ(1)およびボブ(2)は、そのグループ中の特定の変換のいずれが使用されたのかではなく、どの変換のグループを使用したのか（すなわち、彼等は“Ｃ”または“Ｆ”変換のいずれを使用したか）を公表する。（すなわち、彼等は変換が例えば
0003734830.tif 000010
であったのか、または
0003734830.tif 000011
であったかを明らかにしない。）図２において、これがどのように動作するかを例示し、それに伴って説明を行う。
上記のように、アリスは光子を状態｜＋＞Zに処理してネットワークに送信したと仮定する。（ボブ(1)およびボブ(2)は、アリスが後の段階で不正をしているか否かを常にチェックすることができる。）ボブ(1)は、変換（２．２）の１つをランダムに選択し、アリスから入って来た光子を変調するためにそれを使用して、それをボブ(2)に送る。ボブ(1)からの出力状態は、ＢＢ８４プロトコール［２，３］で使用された４つの状態の１つであり、これらは（２．３）によって与えられる。ボブ(2)はまた４つの変換（２．２）の１つをランダムにボブ(1)と無関係に選択する。彼はこの変換によりボブ(1)から入って来た光子を変調し、アリスにそれを送る（実際の関係において、組（２．２）からの変換の選択は、電圧駆動装置上で電圧を選択し、位相変調器において位相シフトを設定するためにこれを使用するのと同じくらい簡単であることが可能であり、特定の電圧設定が４つの変換の１つに対応する）。これらの変換のボブ(1)の出力状態に対する影響は次の通りである：
0003734830.tif 000012
アリスは伝送の基底において入って来た光子を測定し、図２中の“Ａ”または“Ｄ”のラベルをそれぞれ付けられた結果“一致”または“不一致”を公表する。結果“Ａ／Ｄ”は、“一致”または“不一致”のいずれも等しく可能性のあることを示している。ボブ(1)およびボブ(2)は、どちらの変換のグループ（すなわち“Ｃ”または“Ｆ”変換のいずれ）を使用したのかを放送するが、彼等はそのグループ中の特定の変換のいずれを選択したのかを明らかにしない。彼等は、異なるグループを選択した全てのインスタンスを廃棄する。アリスの結果および彼等自身の変換の知識から、ボブ(1)およびボブ(2)は他方のボブがどの設定を使用したのかを図２中の確率ツリーから推測することができる。例えば、図２においてボブ(1)およびボブ(2)がＦグループ、すなわち変換１および３を使用した場合、アリスからの結果“Ａ”は（１，１）または（３，３）のいずれが使用されたことを意味する。結果“Ｄ”がアリスによって放送された場合、（１，３）または（３，１）のいずれが使用されたことになる（ここにおける表記はボブ(1)の変換、ボブ(2)の変換を意味する）。ボブ(1)およびボブ(2)だけが、（１，１）が結果“Ａ”に対して設定されたものであったか否か、或はその結果が変換（３，３）から発生したか否かを決定する知識を所有している。ボブ(1)およびボブ(2)が、ボブ(1)の変換１および２が論理“１”とみなされ、彼の変換３および４が論理“０”とみなされるコード化変換を採用した場合、この過程の終了時にボブ(1)およびボブ(2)は同じ秘密２進シーケンスを有する（エラーおよび盗聴が全くないとき）。例えば、アリスが結果“Ｄ”を公表し、Ｆグループの変換が使用された場合、（１，３）または（３，１）のいずれかがそれぞれボブ(1)およびボブ(2)によって選択された変換である。彼等は個々の変調設定をそれぞれ知っているため、彼等が（１，３）を推測した場合は、論理“１”としてこれを読取り、（３，１）を推測した場合は、論理“０”としてこれを読取るようにこれらの確率のいずれかを選択することができる。図２において、秘密キーを設定するために使用されることができる結果は丸で示される。明らかに、このコード化方式は特有のものではなく、アリスにとって別の明白なオプションが存在する。例えば、アリスがＸ基底において測定することを選択した場合、別の結果の組はボブ(1)およびボブ(2)にとって有効になり、異なるプロトコールが採用されなければならない（これは取るに足りない明白な変化になり、それにおいてボブは異なる変換のグループを使用した結果だけを維持している）。ボブ(1)およびボブ(2)が彼等のキーデータのランダムに選択されたサブセットを公的に比較した場合、彼等はエラーをチェックして、盗聴または不正をしているアリスを検出することができる。
上記は、プロトコールがどのよう機能するかを説明したものである。プロトコールは次の通りである：
各時間スロットに対して、アリスは既知の状態でネットワークに単一光子を送信するか、或は光子を全く送信しない（それは高い確率であり、すなわち任意の１つの時間スロットで２以上の光子を送信する確率は低い）。
各時間スロットに対して、ボブ(1)およびボブ(2)は４つの変換（２．２）の１つをランダムに独立的に選択し、到達した光子を変調する。彼等は、各時間スロットに対してどの変調設定が選択されたのかを記録する。
アリスは、既知の基底において測定し、ネットワーク上に結果を公表する。
ボブ(1)およびボブ(2)は、グループのどの特定の変換を使用したのかではなく、どの変換のグループを使用したのかを公表する。その後、彼等は確率的な結果が予測されるデータを廃棄し、残りのデータに適切なコード化方式を採用する（すなわち、例えば変換（１，３）のシーケンスが論理“１”として翻訳される）。
ボブ(1)およびボブ(2)はこのデータのランダムなサブセットを取って、彼等がこのデータに対して使用した実際の変換をアリスの公表された結果と公的に比較する。この比較から、彼等はそのキーデータ中にエラー率を設定することができる。
このエラー率がそれ程深刻ではない場合、ボブ(1)およびボブ(2)は非常に厳しい信頼レベル範囲内にキー秘密を設定するために調停およびプライバシー増幅プロトコール［３，５−７］により続行することができる。
盗聴者はそのプロセスの全ての段階における実際の基底を知らないため、彼女はアリスにより公表された結果に影響を与えない測定を実行することは不可能である。例えば、イヴはボブの間で、或はボブ(2)とアリスとの間のいずれで測定することを選択でき、或は事実上彼女は両ポイントで測定する（および、もちろん再送信する）ことを選択することができる。しかしながら、彼女はボブ(1)からどの出力状態が現れるかを知ることはできず、このポイントでの彼女の介入がデータを不可避に劣化させる。同様に、彼女はボブ(2)の変換の結果を知ることができず、ネットワークにおけるボブ(2)のポイントの後の彼女の介入が送信を信頼できないものにする。
ネットワーク概略図を検査することにより、ＢＢ８４プロトコールにおいて考慮された直線リンクと状態がトポロジー的に等しいことが速やかに認められる。しかしながら、ループバックネットワークの機能は、多数の利用者がそれぞれ対の状態の秘密キーを設定することができる点で完全に異なっており、単一光子は単一のソースから分配され測定される。このトポロジー的な等しさが与えられた場合、これまでに開発された各ＱＫＤプロトコールがループバックネットワーク上での使用に適合されることができると考えられる。これは実際の場合であり、以下の部分でこれらの各プロトコールの構成を簡単に説明する。最後に、変換およびコード化方式の選択は特有のものではないことに留意すべきであり、任意の適度に満足できる量子暗号法がループバックネットワーク上に入って来た光子の状態に関して統一的な変換を実行する中心的な考えに基づいて多数の方式を生成することができなければならない。この説明は以下に述べる別のプロトコールにも適用でき、ここにおいて与えられた特定の例は任意の好ましいコード化または変換方式の指標ではなく、テンプレートとして考えるべきである。
４状態プロトコールの比較的複雑な構造を説明してきたが、２状態バージョンを生成することは非常に容易である。ＩＢＭ［８］のCharles Bennett氏によって開発された最初の２状態プロトコールＢ９２は、ループバックネットワークに対してここに説明したバージョンと少し異なっている。本出願人の２状態プロトコールの背景の基本的な原理は同じである。アリスは、既知の状態でネットワーク上に単一光子のソースを提供する。ボブ(1)およびボブ(2)は、１組の可能性のある変換からランダムに変換を独立的に選択し（２状態プロトコールにおいて、２つの変換だけが各ボブによって必要とされる）、入って来た光子を変調し、この光子はネットワークを廻って伝播する。アリスは既知の基底において入って来た各光子を測定し、彼女の測定の結果を公表する（すなわち、彼女は“１”または“０”のいずれを得たか）。これは、ボブによって使用される個々の変換の１つの知識を有する者が別のものを構成するのに十分である。この方法において、ボブ(1)およびボブ(2)は、小さいランダムに選択されたサンプルがエラーに対して公的に検査された後、秘密キーを確認可能に設定することができる。４状態プロトコールによるように、ループバック光学ネットワーク上での２状態に対するＱＫＤ方式は特有のものではなく、ここにおいて与えられているバージョンは単なる例示に過ぎない。任意の適切な量子暗号法がここに与えられている例から無数の類似した２状態プロトコールを構成することが可能である。
この例に対して、アリスは状態｜＋＞Xで単一光子のシーケンスを送信すると仮定する。ボブ(1)は、それぞれ変換１および変換２と呼んでいる２つの変換の一方をランダムに選択する。これらの変換を説明する統一的な演算子は以下の通りである：
0003734830.tif 000013
アリスによって提供された状態に対するこれらの変換の影響は次のとおりである。
0003734830.tif 000014
ボブ(1)は彼がどの変換を選択し、ネットワークを廻ってその後ボブ(2)に伝送されるアリスから入って来た光子の状態を変調するためにそれを使用したことを記録する。ボブ(2)は、
0003734830.tif 000015
の逆変換である識別子変換
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および
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である２つの変換からランダムに選択する。ボブ(1)から入って来た状態に対するこれらの変換の影響は次の式で与えられる。
0003734830.tif 000018
ボブ(2)は、どの変換を彼が選択し、入って来た光子をその変換で変調したかを記録し、伝送の基底において光子を測定するアリスにネットワークを廻って光子を送信する。アリスは、“一致”または“不一致”のいずれかである彼女の測定の結果を公表する。結果が“不一致”ならば、ボブ(1)およびボブ(2)は彼等自身の知識から他方の変調設定を推測し、それによって秘密キーを設定することができる。この方式の確率構造は図３に示されている。キーのビットのランダムなサンプルは、盗聴者を検査するために公的に発表されることができ、これらのビットは後に廃棄される。上記のものに類似した符号化方式は、例えば変換のシーケンス（１，３）が論理“１”とみなされ、シーケンス（２，１）が論理“０”とみなされるように使用される。ここにおける変換は、上記で説明されたＢＢ８４プロトコール構造で使用された変換と異なるように故意に選択された。これは、秘密キーの分配を行う多数（実際上、無限数）の変換および測定の選択方法があることを強調するためである。例えば、上記の場合では、ボブ(2)はボブ(1)と全く同じ変換から選択することができた。重要な要素は、不一致（一致）が認められた場合に、ボブ(1)およびボブ(2)がキーを設定できるように、不一致（または事実上、一致）が発生させられることができる２つの異なる方法が存在していることである。上記の場合、両変換が知られていない場合、特有の経路を設定することができないので、一致は情報を全く伝達しない。前のように、盗聴は統計に影響を与え、予測されない不一致を生じさせる。
拡張することによって、上記の例からループバックネットワーク上に排除されたデータプロトコール（ＲＤＰ）［９，１０］をどのように構成するかが理解されることができる。ＲＤＰの標準方式の構成は、本出願人の国際特許出願PCT/GB/93/02075に説明されクレームされている。このようなＲＤＰに対して、３つ以上のアルファベットを操作することが必要とされ、したがって３アルファベット６状態方式だけについて注目する。しかしながら、別の変数がループバックネットワーク構造に関して可能であることを強調しなければならない。これらは、４アルファベットおよび４または８量子状態によるＲＤＰ、および事実上３量子状態による３アルファベット方式を含んでいる。この後者の方式は、例えばＢ９２の３アルファベットアナログである。任意の単一粒子プロトコールはループバックネットワーク構造について構成され、したがってＱＫＤネットワークの設計に対してループバックネットワークをパワフルな構造にすることができるということが本出願人の主張である。
３アルファベット６状態方式は、キーの一部分を形成しないデータの比較に依存している。ボブ(1)およびボブ(2)は、彼等の予測された統計からの偏差を探索する。量子機構の特性は、盗聴の試みがこの排除されたデータの統計を確実に変化させることである。ＲＤＰは、盗聴者に利用可能な情報の品質および種類の評価においてエラー調停およびプライバシー増幅［３，５−７］の初期段階で重要な過程である。前のように、アリスはよく限定された既知の状態でネットワーク上に単一光子を供給する（前のように、データの簡単な比較が不正をしているアリスを明らかにする）。各光子に対してこれらの状態を｜＋＞Zとみなす。ボブ(1)は、６つの可能な変調設定の１つをランダムに選択し、彼の設定を記録し、光子を変調してそれをボブ(2)に送信する。前と同様に、各変調は光子を新しい状態にする（或はそれを変化させないまま保持する）。ボブ(2)は、彼の変換の選択がボブ(1)のものと無関係であり、測定を実行してその結果“一致”または“不一致”を公表したアリスに対して光子を送信することを除き、全く同じ動作を実行する。ボブ(1)およびボブ(2)は、そのグループのいずれの特定の変換が選択されたかではなく、彼等が各ビットに対してどのグループの変換を使用したのかを公的にアナウンスする（４状態プロトコールと比較されたい）。この例において、ボブ(1)および(2)は、合計６つの変換である２つの変換をそれぞれ含む３つの変換のグループを有している。これらの変換は、以下によって与えられる：
0003734830.tif 000019
変換１および４はラベルＦを付けられた１つのグループを形成し、変換２および５はラベルＧを付けられた別のものを形成し、変換３および６はラベルＨを付けられた最後のグループを形成する。入力状態に対するこれらの変換の影響は所定の回転角度だけ状態を回転することであり、例えば変換３を適用すると、｜＋＞Z状態は｜＋＞2π/3状態になる。同様に、変換４はスピンフリップ演算子である。
ボブ(2)は、これら６つの変換のうちの１つでボブ(1)から入って来た光子を変調し、変換された状態を生じさせる（例えば、状態｜−＞2π/3に変換３を適用すると、それは状態｜＋＞π/3になり、別の変換は（４．１）および簡単な幾何学的画像から容易に判明する）。その後、ボブ(2)によって変調された光子は既知の基底においてそれを測定するアリスに対してネットワークを廻って伝送される（この例では彼女はＺ基底を選択したと仮定する）。彼女は、彼女の測定の結果および最初の状態の彼女の選択に応じて結果“一致”または“不一致”を公表する（ここでは、例えば彼女が公表した結果は、測定されたビットが“１”であった送信されたビットと同じであるか否かである）。ボブ(1)およびボブ(2)は、各グループ中の２つの変換のいずれを使用したのかではなく、どの変換のグループＦ、ＧまたはＨを使用したのかを公的に発表する。彼等は、同じ変換のグループが選択されたものと、異なるグループが選択されたものとにデータを分類する。異なるグループを使用したことから予測されたものとアリスによって公表された一致または不一致の統計を比較することにより、ボブ(1)およびボブ(2)は盗聴者の存在をチェックすることができる。この機能を実行する統計的な検査は、［９，１０］に記載されている。ＲＤＰの重要な特徴は盗聴者の情報の品質および量を評価して、エラー調停およびプライバシー増幅を適切に採用する潜在的な能力である。ボブ(1)およびボブ(2)が同じグループの変換を使用した伝送から得られた結果は、このエラー補正およびプライバシー増幅過程の後で秘密キーを形成する。
本発明を使用したシステムに対する別の可能な侵害方法には、イヴ（盗聴者）が所定の利用者ボブの両側で量子チャンネルを盗聴することが必要である。その後、多光子信号を送信し、検出することによって、イヴはボブの変調器の状態を明瞭に決定することができる。実際には、イヴがネットワークにおける２以上のポイントに対する接続を設定することは非常に困難である。しかしながら、説明されたタイプの侵害から保護することを所望する場合、これは比較的弱いタップによってネットワークに接続された光子検出器をネットワーク上の１以上の受信機に設けることによって実行されてもよい。この光子検出器の感度は、受信機において通常使用される単一光子検出器と同じでなくてもよいし、またあらゆる利用者がこのような検出器を有している必要もない。ネットワーク中にこのような検出器が存在することで、イヴによって使用される任意の多光子プローブの検出が容易になる。
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【図１】
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【図６】
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【図７】
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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８】
0003734830.tif 000028
【図９ａ】
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【図９ｂ】
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