特開 2023-664 量子デジタル署名システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023000664

(43)【公開日】2023-01-04

(54)【発明の名称】量子デジタル署名システム

(51)【国際特許分類】

   H04L 9/12 20060101AFI20221222BHJP

   H04L 9/32 20060101ALI20221222BHJP

   G09C 1/00 20060101ALI20221222BHJP

【ＦＩ】

H04L9/00 631

H04L9/00 675Z

G09C1/00 640E

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021101615

(22)【出願日】2021-06-18

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】本庄 利守

(72)【発明者】

【氏名】武居 弘樹

(72)【発明者】

【氏名】生田 拓也

(72)【発明者】

【氏名】井上 恭

(57)【要約】

【課題】簡素な装置構成により、効率良く認証データを配布する量子デジタル署名システムを提供する。
【解決手段】送信者の装置は、連続するコヒーレントパルス列を出力するパルス光源、前記パルス光源から出力された前記コヒーレントパルス列の各パルスに対して位相差０またはπを付与する位相変調器、および１パルス当りの平均光子数が１未満であるように設定された減衰器を含む。受信者の装置は、前記コヒーレントパルス列が入力される１×２光ビームスプリッターと２×２光ビームスプリッターとの間が２本の干渉アームで接続され、前記２本の干渉アームにより、遅延時間がパルス間隔に等しく、いずれの干渉アームにおいても伝搬する位相差が２πの整数倍である遅延回路を構成する遅延マッハツェンダー干渉計、および前記２×２光ビームスプリッターの出力に接続された２つの光子検出器を含む。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

認証データと署名データとを照合することにより、受信したデータの送信元が前記認証データの送信元と同一であることを確認する量子デジタル署名システムにおいて、
連続するコヒーレントパルス列を出力するパルス光源、
前記パルス光源から出力された前記コヒーレントパルス列の各パルスに対して位相差０またはπを付与する位相変調器、および
１パルス当りの平均光子数が１未満であるように設定された減衰器を含む送信者の装置と、
前記送信者からの前記コヒーレントパルス列が入力される１×２光ビームスプリッターと２×２光ビームスプリッターとの間が２本の干渉アームで接続され、前記２本の干渉アームにより、遅延時間がパルス間隔に等しく、伝搬位相差が２πの整数倍である遅延回路を構成する遅延マッハツェンダー干渉計、および
前記２×２光ビームスプリッターの出力のそれぞれに接続された２つの光子検出器を含む受信者の装置と
を備えたことを特徴とする量子デジタル署名システム。

【請求項2】

前記認証データは、前記コヒーレントパルス列の隣接するパルスの位相差であり、
前記署名データは、前記認証データとして送信した前記コヒーレントパルス列に付与した各パルスの位相の全てであることを特徴とする請求項１に記載の量子デジタル署名システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、量子力学の原理に基づいて原理的な安全性を保障する、量子デジタル署名装置に関する。

【背景技術】

【0002】

デジタルデータの送受信において、受け取ったデータが正規の送信者から送られたデータであることを認証する方法として、ＲＳＡデジタル署名方式が知られている。この方式においては、送信者は、予め署名認証のための認証データを複数の受信候補者に配布しておく。そして、データ送信に際して、送付するデータに署名データを添付して送信する。受信者は、先に配布された認証データと署名データとを照合することにより、受信したデータの送信元が先に認証データを公開した送信者と同一であることを確認する。

【0003】

デジタル署名システムに必要な要件は、第三者によって署名データが偽造されないこと、及び全ての受信候補者に同一の認証データが配布されていることが保障されていることである。前者について、より具体的には、認証データから署名データが生成できない、ということである。ＲＳＡ方式は、大きな数の素因数分解には膨大な計算量を要するという数学上の性質を利用している。しかしながら、数学的手法は原理的な安全性を保障するものではなく、効率のよい計算手段、例えば量子コンピューティングが開発されると安全ではなくなる。そこで、量子力学の原理に基づいて原理的な安全性を保障する、量子デジタル署名（Quantum Digital Signature：ＱＤＳ）が提案されている。そこで、従来技術として、非特許文献１で述べられているＱＤＳ方式について説明する。

【0004】

図１に、従来の量子デジタル署名システムの構成を示す。ここでは例として、送信者１名に対し、受信候補者が２名の場合を示している。送信者１０側には、パルス光源１１と、その出力に接続された減衰器１２と、パルス光源１１からの出力光を２分岐するハーフミラー１３と、分岐した一方の光路に挿入された位相変調器１４と、分岐した他方の光路と位相変調器１４の出力とを合波する偏波ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５とを含む。

【0005】

送信者１０における認証データの配布過程について述べる。パルス光源１１からの出力光は２分岐され、一方の光路を伝搬するパルス光は、位相変調器１４により、位相差が｛０，π／２，π，３π／２｝のいずれかを付与される。他方の光路を伝搬するパルス光は、偏波保持ファイバーを用いて偏波状態が９０°変換される。ＰＢＳ１５の出力は、２連続のコヒーレントパルス対であり、互いに直交する偏波状態にあり、位相差が｛０，π／２，π，３π／２｝のいずれかである。減衰器１２により、１パルス当りの平均光子数が１未満であるように設定されたパルス対は、２分岐して受信者２０，３０に送信される。

【0006】

このような、位相差が０またはπ／２、または位相差がπまたは３π／２である４つの信号状態は、量子力学的非直交関係にあり、不確定性原理により、１００％の確率で識別することはできないことが知られている。

【0007】

図２に、従来の量子デジタル署名システムにおける受信者側の構成を示す。受信者２０側には、偏波ビームスプリッター２２と２×２光ビームスプリッター２４との間が２本の干渉アームで接続された遅延マッハツェンダー（ＭＺ）干渉計２１が２つ設けられている。伝送路から送信されてきたパルス対は２分岐され、ＭＺ干渉計２１ａ，２１ｂに入力される。ＭＺ干渉計２１ａ，２１ｂでは、偏波ビームスプリッター２２ａ，２２ｂにより先方パルスが干渉アームの長経路に、後方パルスが干渉アームの短経路に分離される。ＭＺ干渉計２１ａの一方の干渉アームには、位相差０を付与する位相変調器２３ａが挿入され、ＭＺ干渉計２１ｂの一方の干渉アームには、位相差π／２を付与する位相変調器２３ｂが挿入されている。なお、受信者３０も同じ構成である。

【0008】

また、２本の干渉アームにより遅延回路が構成され、遅延時間がパルス間隔に等しく、一方の干渉アームは、伝搬光の偏波状態が直交変換されるように設定されている。これにより、光ビームスプリッター２４ａ，２４ｂでは、伝送路から入力されたパルス対の２つのパルスが重なり合い、互いに干渉して出力される。光ビームスプリッター２４ａ，２４ｂの出力には、それぞれ光子検出器２５，２６が接続されている。

【0009】

このような受信者側の構成は、確定的状態除外（Unambiguous State Elimination：ＵＳＥ）と呼ばれる測定系となっている。被測定状態が量子力学的非直交関係にある状態のいずれかであるときに、どの状態であるかを１００％の確率で識別することはできないが、どの状態でないかを確定することは可能である。但し、全ての測定において確定的結果が得られるわけではなく、確率的に何も結果が得られない場合（測定不成功）がある。このように動作する測定法をＵＳＥ測定という。

【0010】

図３を参照して、従来の受信者側の構成の動作を説明する。この構成においては、位相差が０またはπ／２、または位相差がπまたは３π／２である４つのパルス対に対してＵＳＥ測定系となっている。図３（ａ）は、ＭＺ干渉計２１ａの出力を光子検出器２５ａ，２６ａで測定した結果であり、図３（ｂ）は、ＭＺ干渉計２１ｂの出力を光子検出器２５ｂ，２６ｂで測定した結果であり、横軸は被測定パルス対の位相差、縦軸は遅延干渉計出力端子における光子検出確率を示している。

【0011】

縦軸の最小値は０、最大値は入力平均光子数で決まる０．５未満の値である。光子検出確率は、位相差に対して正弦波状かつ光子検出器によってπ／２ずつシフトした特性となっている。ここでＵＳＥ測定としてのポイントは、｛０，π／２，π，３π／２｝の各位相差について、光子検出確率がゼロである検出器が必ず存在するということである。すなわち、位相差０に対して光子検出器２５ａで光子検出される確率ゼロ、位相差π／２に対して光子検出器２５ｂで光子検出される確率ゼロ、位相差πに対して光子検出器２６ａで光子検出される確率ゼロ、位相差３π／２に対して光子検出器２６ｂで光子検出される確率ゼロ、となっている。従って、光子検出器２５ａで光子検出されると位相差０ではないことが、光子検出器２５ｂで光子検出されると位相差π／２ではないことが、光子検出器２６ａで光子検出されると位相差πではないことが、光子検出器２６ｂで光子検出されると位相差３π／２ではないことが、それぞれ確定できる。但し、入力パルス対の平均光子数は１未満であるため、どの検出器でも光子検出されない場合がある。その場合は「測定不成功」となる。以上述べた動作は、位相差｛０，π／２，π，３π／２｝に対するＵＳＥ測定となっている。

【0012】

以上、１つのパルス対の送受信について述べたが、ＱＤＳにおいて認証データを配布する際には、一連のパルス対の送受信に番号付けをして多数回行う。受信者は、ＵＳＥ測定において確定的結果が得られた場合について、そのパルス対の番号及びその結果（すなわち除外された位相差）を記録する。これを認証データとする。受信者は、認証データを取得した後、その一部について、通信チャネルを介して他の受信者と互いに照合する。ここで不一致がなければ、送信者から同一の認証データが送られてきたと認定する。

【0013】

認証データが配布された後、送信者は、受信者に向けて、所要の送信データに署名データを添付して送る。ここで、認証データの配布に際しては、送信パルス対に付与した位相差０またはπ／２、または位相差πまたは３π／２の全てを署名データとする。署名データを受け取った受信者は、記録しておいた認証データと照合し、送信位相差とＵＳＥ測定結果が整合しているかを検証する。不整合がなければ、受信したデータの送信元は、認証データ信号送信者と同一であると認定する。

【0014】

従来技術において、署名データが偽造されないことは、位相差が０またはπ／２、または位相差がπまたは３π／２である４つのパルス対状態は、非直交関係にあるため１００％の確率で識別することはできない、という量子力学的性質により保障される。このため、送信者の送る署名データを完全に模倣することはできない。１００％未満のある確率で位相差を測定することは可能であり、不完全な偽装署名データを作成することはできる。この偽装署名データが、たまたま認証データと整合することも起こり得るが、データ数を大きくすればその確率は十分小さくできる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0015】

【非特許文献1】R. J. Donaldson, R. J. Collins, K. Kleczkowska, R. Amari, P. Wallden, V. Dunjiko, J. Jeffers, E. Andersson, and G. S. Buller, “Experimental demonstration of kilometer-range quantum digital signatures,” Physical Review A, vol. 93, 012329 (2016).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

従来技術では、位相差が０またはπ／２、または位相差がπまたは３π／２であるコヒーレント光パルス対を認証データとして用いており、そのＵＳＥ測定のために、受信者は２つの遅延ＭＺ干渉計及び４つの光子検出器を備えている。この装置構成が簡素化できれば、より低コストなシステムを構築することができる。特に、光子検出器は高価であり、この数を減らすことができれば、大きなコスト軽減効果が期待できる。

【0017】

さらに、２パルスからなるパルス対でひとつの信号状態としているため、認証データの信号数の２倍のパルス数を送信している。このことは、高ビットレート化の妨げとなる。少ないパルス数でひとつの信号状態を送信できれば、認証データ配布を効率良く行うことができる。

【課題を解決するための手段】

【0018】

本発明の目的は、簡素な装置構成により、効率良く認証データを配布する量子デジタル署名システムを提供することにある。

【0019】

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、認証データと署名データとを照合することにより、受信したデータの送信元が前記認証データの送信元と同一であることを確認する量子デジタル署名システムにおいて、連続するコヒーレントパルス列を出力するパルス光源、前記パルス光源から出力された前記コヒーレントパルス列の各パルスに対して位相差０またはπを付与する位相変調器、および１パルス当りの平均光子数が１未満であるように設定された減衰器を含む送信者の装置と、前記送信者からの前記コヒーレントパルス列が入力される１×２光ビームスプリッターと２×２光ビームスプリッターとの間が２本の干渉アームで接続され、前記２本の干渉アームにより、遅延時間がパルス間隔に等しく、いずれの干渉アームにおいても伝搬する位相差が２πの整数倍である遅延回路を構成する遅延マッハツェンダー干渉計、および前記２×２光ビームスプリッターの出力に接続された２つの光子検出器を含む受信者の装置とを備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0020】

以上説明したように、本発明によれば、受信者は１つの遅延マッハツェンダー干渉計含み、隣接するパルスの位相差を認証データとすることにより、簡素な装置構成により、高い効率で認証データ信号を送信することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】従来の量子デジタル署名システムの構成を示す図である。

【図2】従来の量子デジタル署名システムにおける受信者側の構成を示す図である。

【図3】従来の受信者側の構成の動作を説明するための図である。

【図4】本発明の一実施形態にかかる量子デジタル署名システムの構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

【0023】

図４に、本発明の一実施形態にかかる量子デジタル署名システムの構成を示す。ここでは例として、送信者１名に対し、受信候補者が２名の場合を示している。送信者５０側には、パルス光源５１と、位相差０またはπを付与する位相変調器５２と、１パルス当りの平均光子数が１未満であるように設定された減衰器５３とが、順に縦続接続されている。送信者５０から出力されたパルス列は、２分岐した伝送路を介して受信者６０，７０に送信される。

【0024】

受信者６０側には、伝送路に接続された１×２光ビームスプリッター６２と２×２光ビームスプリッター６４との間が２本の干渉アームで接続された遅延マッハツェンダー（ＭＺ）干渉計６１が設けられている。２本の干渉アームにより遅延回路が構成され、遅延時間がパルス間隔に等しく、いずれの干渉アームにおいても伝搬する位相差は０（または２πの整数倍）に設定されている。２×２光ビームスプリッター６４の出力には、それぞれ光子検出器６５，６６が接続されている。なお、受信者７０も同じ構成である。

【0025】

送信者５０における認証データの配布過程について述べる。パルス光源５１は、連続するコヒーレントパルス列を出力する。位相変調器５２は、コヒーレントパルス列の各パルスに対して位相を０またはπを付与し、減衰器５３により、例えば、０．１光子／パルスとして伝送路に送信する。受信者６０において、伝送路から受け取ったパルス列は、ＭＺ干渉計６１に入力され、１パルス分シフトして重なり合う。連続するパルス列のうち、隣接する２パルスが干渉し合い、その位相差が０であれば光子検出器６５で光子が検出され、位相差がπであれば光子検出器６６で光子が検出される。但し、送信されてきたパルス列の平均光子数が微小であるので、光子が検出されるのは稀かつ時間的にランダムである。受信者は、光子検出された隣接パルス及び光子検出器、すなわち位相差を記録し、これを認証データとする。受信者は、認証データを取得した後、通信チャネルを介して他の受信者と互いに照合する。具体的には、光子検出した隣接パルスを互いに知らせ、同じ隣接パルスから光子検出したか否かを照合する。ここで不一致がなければ、送信者から同一のパルス列が送られてきたと認定する。

【0026】

認証データが配布された後、送信者は、受信者に向けて、所要の送信データに署名データを添付して送る。署名データは、認証データの配布に際して、コヒーレントパルス列に付与した各パルスの位相（０またはπ）の全てとする。署名データを受け取った受信者は、記録しておいた認証データと照合し、光子検出した隣接パルスと光子検出器、すなわち位相差が整合しているかを検証する。不整合がなければ、受信したデータの送信元は、認証データ信号送信者と同一であると認定する。

【0027】

本実施形態において、送信者が認証データを配布した時に送信するコヒーレントパルス列は光子数が微少であるため、これを測定しても、全ての位相値を知ることはできない。すなわち、公開情報から送信者の署名データを得ることはできない。全ての位相値を測定できなくても、受信者が光子検出した隣接パルスの位相値が分かれば、その他の位相値はランダムとしたものを偽装署名データとすることができる。しかしながら、光子検出される隣接パルスはランダムであり、光子検出される隣接パルスを予測し、その位相を狙って測定することはできない。従って、偽装署名データを作成することはできない。

【0028】

本実施形態によれば、受信者は１つの遅延ＭＺ干渉計と２つの光子検出器とを用いて認証データを取得している。この装置数は従来技術の半分である。また、隣接するパルスの位相差を認証データとしており、送信する信号の数とパルス数がほぼ等しい。このため、従来技術よりも効率良く認証データ信号を送ることができる。

【0029】

以上説明したように、本実施形態によれば、簡素な装置構成により、高い効率で認証データ信号を送信する量子デジタル暗号システムが提供できる。

【符号の説明】

【0030】

１０，５０ 送信者
１１，５１ パルス光源
１２，５３ 減衰器
１３ ハーフミラー
１４，２３，５２ 位相変調器
１５，２２ 偏波ビームスプリッター（ＰＢＳ）
２０，３０，６０，７０ 受信者
２１，６１ 遅延マッハツェンダー（ＭＺ）干渉計
２４，６４ ２×２光ビームスプリッター
２５，２６，６５，６６ 光子検出器
６２ １×２光ビームスプリッター

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】