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特開2024-118748連続量量子鍵配送システムにおける共有鍵生成方法、受信機、通信制御方法およびプログラム
(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】P2024118748
(43)【公開日】2024-09-02
(54)【発明の名称】連続量量子鍵配送システムにおける共有鍵生成方法、受信機、通信制御方法およびプログラム
(51)【国際特許分類】
H04L 9/12 20060101AFI20240826BHJP
H04B 10/70 20130101ALI20240826BHJP
H04B 10/61 20130101ALI20240826BHJP
H04B 10/50 20130101ALI20240826BHJP
【ＦＩ】
H04L9/12
H04B10/70
H04B10/61
H04B10/50
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023025204
(22)【出願日】2023-02-21
(71)【出願人】
【識別番号】000004237
【氏名又は名称】日本電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100124811
【弁理士】
【氏名又は名称】馬場 資博
(74)【代理人】
【識別番号】100088959
【弁理士】
【氏名又は名称】境 廣巳
(74)【代理人】
【識別番号】100097157
【弁理士】
【氏名又は名称】桂木 雄二
(74)【代理人】
【識別番号】100187724
【弁理士】
【氏名又は名称】唐鎌 睦
(72)【発明者】
【氏名】安田 和佳子
【テーマコード（参考）】
5K102
【Ｆターム（参考）】
5K102AA63
5K102AB11
5K102AD15
5K102AH02
5K102AH14
5K102AH27
5K102MA01
5K102MB09
5K102MC11
5K102MD04
5K102MH03
5K102MH14
5K102MH32
5K102PB01
5K102PH01
5K102PH22
5K102PH37
5K102PH42
5K102RD26
5K102RD28
(57)【要約】 （修正有）
【課題】連続量ＱＫＤにおいて誤り訂正性能の改善と鍵生成レートの向上を達成する共有鍵生成方法、受信機、送信機、通信制御方法及びプログラムを提供する。
【解決手段】連続量量子鍵配送により送信機１０と受信機２０の間で共有鍵を生成する方法であって、受信機は、量子チャネルを通して受け取った微弱光をコヒーレント検波して受信量子化データＳＱ－ＲＣＶを生成し、基準ビット位置を設定して基底Ａと一致したビット位置で受信量子化データからシフト鍵量子化データＳＱ－SKを生成する。送信機は、シフト鍵データＳSKを生成する。受信機がシフト鍵量子化データを軟判定誤り訂正処理したシンドロームを送信機へ送信し、送信機がシンドロームを用いてシフト鍵データから訂正鍵Ｋ１Ａを生成する。受信機が硬判定処理によりシフト鍵量子化データから訂正鍵Ｋ１Ｂを生成する。訂正鍵Ｋ１Ａ及びＫ１Ｂの一部を用いて誤り率に基づく同期判定を行う。
【選択図】図３
【解決手段】連続量量子鍵配送により送信機１０と受信機２０の間で共有鍵を生成する方法であって、受信機は、量子チャネルを通して受け取った微弱光をコヒーレント検波して受信量子化データＳＱ－ＲＣＶを生成し、基準ビット位置を設定して基底Ａと一致したビット位置で受信量子化データからシフト鍵量子化データＳＱ－SKを生成する。送信機は、シフト鍵データＳSKを生成する。受信機がシフト鍵量子化データを軟判定誤り訂正処理したシンドロームを送信機へ送信し、送信機がシンドロームを用いてシフト鍵データから訂正鍵Ｋ１Ａを生成する。受信機が硬判定処理によりシフト鍵量子化データから訂正鍵Ｋ１Ｂを生成する。訂正鍵Ｋ１Ａ及びＫ１Ｂの一部を用いて誤り率に基づく同期判定を行う。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１通信装置と第２通信装置との間で連続量量子鍵配送により共有鍵を生成する方法であって、
ａ）前記第１通信装置が、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、
ｂ）前記第２通信装置が、前記第１チャネルを通して受け取った前記微弱光をコヒーレント検波して受信量子化データを生成し、
ｃ）前記第２通信装置が前記第１通信装置との間で共有鍵を生成するための基準ビット位置を設定し、前記第１通信装置の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記第２通信装置が前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、前記第１通信装置がシフト鍵データを生成し、
ｄ）前記第２通信装置が、前記シフト鍵量子化データを軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を第２チャネルを通して前記第１通信装置へ送信し、
ｅ）前記第１通信装置が前記誤り訂正情報を用いた誤り訂正処理により前記シフト鍵データから第１訂正鍵を生成し、前記第２通信装置が硬判定処理により前記シフト鍵量子化データから第２訂正鍵を生成し、
ｆ）前記第１通信装置または前記第２通信装置が、前記第２チャネルを通して前記第１訂正鍵および前記第２訂正鍵の一部を用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記第１訂正鍵および前記第２訂正鍵が共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする共有鍵生成方法。
ａ）前記第１通信装置が、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、
ｂ）前記第２通信装置が、前記第１チャネルを通して受け取った前記微弱光をコヒーレント検波して受信量子化データを生成し、
ｃ）前記第２通信装置が前記第１通信装置との間で共有鍵を生成するための基準ビット位置を設定し、前記第１通信装置の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記第２通信装置が前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、前記第１通信装置がシフト鍵データを生成し、
ｄ）前記第２通信装置が、前記シフト鍵量子化データを軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を第２チャネルを通して前記第１通信装置へ送信し、
ｅ）前記第１通信装置が前記誤り訂正情報を用いた誤り訂正処理により前記シフト鍵データから第１訂正鍵を生成し、前記第２通信装置が硬判定処理により前記シフト鍵量子化データから第２訂正鍵を生成し、
ｆ）前記第１通信装置または前記第２通信装置が、前記第２チャネルを通して前記第１訂正鍵および前記第２訂正鍵の一部を用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記第１訂正鍵および前記第２訂正鍵が共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする共有鍵生成方法。
【請求項2】
前記ｆ）において前記誤り率が所定値以下である場合は、前記第１訂正鍵および前記第２訂正鍵の前記一部を破棄した残りの訂正鍵を前記第１通信装置および前記第２通信装置の共有鍵とし、
前記ｆ）において前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ｃ）に戻り前記基準ビット位置の設定を変更する、
ことを特徴とする請求項１に記載の共有鍵生成方法。
前記ｆ）において前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ｃ）に戻り前記基準ビット位置の設定を変更する、
ことを特徴とする請求項１に記載の共有鍵生成方法。
【請求項3】
前記ｆ）において、前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ｃ）に戻り前記基準ビット位置の設定を１ビット分スライドさせる、ことを特徴とする請求項２に記載の共有鍵生成方法。
【請求項4】
前記ｃ）において、前記第１通信装置が前記第１乱数列を前記第２チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、前記第２通信装置が前記第１乱数列に従って前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成する、ことを特徴とする請求項１－３のいずれか１項に記載の共有鍵生成方法。
【請求項5】
前記ｃ）において、前記第２通信装置が第３乱数列を生成して前記第２チャネルを通して前記第１通信装置へ送信し、前記第１通信装置が前記第１乱数列と前記第３乱数列とを照合し、一致したビット位置を前記第２通信装置へ送信する、ことを特徴とする請求項１－３のいずれか１項に記載の共有鍵生成方法。
【請求項6】
前記第１通信装置および前記第２通信装置が共有した前記共有鍵に基づいて秘匿増強処理を実行し、最終鍵を生成することを特徴とする請求項１－３のいずれか１項に記載の共有鍵生成方法。
【請求項7】
送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機であって、
前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力する量子ユニットと、
第２チャネルを通して前記送信機と通信することで前記受信量子化データから共有鍵を生成するデータ処理部と、
を有し、前記データ処理部が、
ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、
ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、
ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする受信機。
前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力する量子ユニットと、
第２チャネルを通して前記送信機と通信することで前記受信量子化データから共有鍵を生成するデータ処理部と、
を有し、前記データ処理部が、
ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、
ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、
ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする受信機。
【請求項8】
請求項７に記載の受信機と前記第１チャネルおよび前記第２チャネルにより接続された送信機であって、
前記微弱光を前記第１チャネルを通して前記受信機へ送信する送信側量子ユニットと、
前記第２チャネルを通して前記受信機と通信することで前記第２乱数列から共有鍵を生成する送信側データ処理部と、
を有し、前記送信側データ処理部が、前記受信機から受信した前記誤り訂正情報に従って前記シフト鍵データから送信側の訂正鍵を生成し、前記送信側の訂正鍵の一部と前記受信機の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記送信側の訂正鍵が共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする送信機。
前記微弱光を前記第１チャネルを通して前記受信機へ送信する送信側量子ユニットと、
前記第２チャネルを通して前記受信機と通信することで前記第２乱数列から共有鍵を生成する送信側データ処理部と、
を有し、前記送信側データ処理部が、前記受信機から受信した前記誤り訂正情報に従って前記シフト鍵データから送信側の訂正鍵を生成し、前記送信側の訂正鍵の一部と前記受信機の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記送信側の訂正鍵が共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする送信機。
【請求項9】
送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機の通信制御方法であって、
量子ユニットが、前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力し、
データ処理部が、
ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、
ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、
ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする受信機の通信制御方法。
量子ユニットが、前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力し、
データ処理部が、
ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、
ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、
ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする受信機の通信制御方法。
【請求項10】
送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
量子ユニットが、前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を前記第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力する機能と、
データ処理部が、ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成する機能と、
ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで前記シフト鍵量子化データから訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信する機能と、
ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する機能と、
を前記コンピュータに実現することを特徴とするプログラム。
量子ユニットが、前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を前記第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力する機能と、
データ処理部が、ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成する機能と、
ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで前記シフト鍵量子化データから訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信する機能と、
ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する機能と、
を前記コンピュータに実現することを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は量子鍵配送（ＱＫＤ：Quantum Key Distribution）技術に係り、特に送信機と受信機との間で共有鍵の同期を確立する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
量子鍵配送（以下、ＱＫＤと記す。）は，暗号鍵の素となる乱数列を単一光子伝送することにより，離れた２地点間で安全な鍵共有を可能にする技術として知られている。単一光子を利用することで暗号鍵の漏洩防止を量子力学的に保証することができ、高い秘匿性を実現できる。このために重要機密情報を扱う暗号通信への活用が期待されている。
【0003】
図１に示すように、ＱＫＤは、（１）微弱光伝送、（２）基底照合、（３）誤り訂正、および（４）秘匿増強の４ステップから構成される。
【0004】
（１）微弱光伝送には、量子チャネルを通して単一光子を伝送する離散量ＱＫＤと、光の直交振幅を変調して送信する連続量ＱＫＤとがある。離散量ＱＫＤでは、光子検出器を用いて光子の有無を検出し、その検出データから暗号鍵を生成する（たとえば特許文献１を参照）。したがって単一光子発生源および単一光子検出器などの特殊なデバイスを必要とする。これに対して、連続量ＱＫＤでは、コヒーレント検波により光電場の状態を測定し、その測定データから暗号鍵を生成する（たとえば特許文献２を参照）。コヒーレント検波は長距離大容量光通信において一般的に用いられている技術であるから一般的な光学部品で実現可能である。したがって連続量ＱＫＤは離散量ＱＫＤと比較して低コスト化を期待できる。
【0005】
（２）基底照合では、送信機と受信機の間で基底情報を通常光のチャネル（古典チャネル）を通してやり取りし、基底が一致した受信情報を選別する。その際、送信機と受信機とは、送信した基底情報が量子チャネルで伝送したどのビットに対応しているかについて一致していること（ビット位置同期の確立）が必要である。特許文献１には、受信情報の誤り率に基づいてビット位置同期を確立する手法が開示されている。
【0006】
（３）誤り訂正は、基底照合で得られた選別情報（シフト鍵）に対して行われ、特許文献１では入力データとして硬判定値が用いられる。硬判定は任意の閾値を用いた０／１の判定である。
【0007】
（４）秘匿増強は、送信器内で乱数（パリティ計算ビット）を生成し、それを用いて鍵配送中に漏洩した可能性のある情報量を除去し新たな乱数（最終鍵）を生成するプロセスである。盗聴者はパリティ計算ビットの全てを知らないと秘匿増強後の最終鍵を知ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特許第４１２４１９４号公報
【特許文献2】特表２０１９－５２２３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
上述したように、ＱＫＤシステムでは送信機と受信機との間でビット位置の同期を確立する必要がある。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。
【0010】
しかしながら、上記特許文献１に開示されたビット位置同期方法は、離散量ＱＫＤを前提としており、硬判定により得られたシフト鍵のビット誤り率を計算することでビット位置の同期確立の成否を判定している。したがって、同期確立後の誤り訂正も硬判定誤り訂正に限定される。
【0011】
硬判定誤り訂正に対して、軟判定誤り訂正は実装が複雑になるものの、誤り訂正性能の大きな改善および鍵生成レートの向上が期待できる。しかしながら、特許文献１は硬判定誤り訂正に限定された方法を開示しているだけであり、特許文献２は連続量ＱＫＤを開示しているが誤り訂正について何ら言及されていない。
【0012】
そこで、本発明の目的は、連続量ＱＫＤにおいて誤り訂正性能の改善および鍵生成レートの向上を達成できる共有鍵生成方法、受信機、通信制御方法およびプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の一態様によれば、第１通信装置と第２通信装置との間で連続量量子鍵配送により共有鍵を生成する方法であって、ａ）前記第１通信装置が、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、ｂ）前記第２通信装置が、前記第１チャネルを通して受け取った前記微弱光をコヒーレント検波して受信量子化データを生成し、ｃ）前記第２通信装置が前記第１通信装置との間で共有鍵を生成するための基準ビット位置を設定し、前記第１通信装置の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記第２通信装置が前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、前記第１通信装置がシフト鍵データを生成し、ｄ）前記第２通信装置が、前記シフト鍵量子化データを軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を第２チャネルを通して前記第１通信装置へ送信し、ｅ）前記第１通信装置が前記誤り訂正情報を用いた誤り訂正処理により前記シフト鍵データから第１訂正鍵を生成し、前記第２通信装置が硬判定処理により前記シフト鍵量子化データから第２訂正鍵を生成し、ｆ）前記第１通信装置または前記第２通信装置が、前記第２チャネルを通して前記第１訂正鍵および前記第２訂正鍵の一部を用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記第１訂正鍵および前記第２訂正鍵が共有鍵であるか否かを判定する、ことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機であって、前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力する量子ユニットと、第２チャネルを通して前記送信機と通信することで前記受信量子化データから共有鍵を生成するデータ処理部と、を有し、前記データ処理部が、ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理により算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する、ことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機の通信制御方法であって、量子ユニットが、前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力し、データ処理部が、ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する、ことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機としてコンピュータを機能させるプログラムであって、量子ユニットが、前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力する機能と、データ処理部が、ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成する機能と、ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで、前記シフト鍵量子化データから訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理により算出された誤り訂正情報を第２チャネルを通して前記送信機へ送信する機能と、ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する機能と、を前記コンピュータに実現することを特徴とする。
本発明の一態様によれば、送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機であって、前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力する量子ユニットと、第２チャネルを通して前記送信機と通信することで前記受信量子化データから共有鍵を生成するデータ処理部と、を有し、前記データ処理部が、ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理により算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する、ことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機の通信制御方法であって、量子ユニットが、前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力し、データ処理部が、ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する、ことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機としてコンピュータを機能させるプログラムであって、量子ユニットが、前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力する機能と、データ処理部が、ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成する機能と、ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで、前記シフト鍵量子化データから訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理により算出された誤り訂正情報を第２チャネルを通して前記送信機へ送信する機能と、ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する機能と、を前記コンピュータに実現することを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば，連続量ＱＫＤに軟判定誤り訂正を採用することで誤り訂正性能の改善および鍵生成レートの向上を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【発明を実施するための形態】
【0016】
＜実施形態の概要＞
本発明の実施形態によれば、連続量ＱＫＤシステムにおいて、受信側の通信装置（以下、第２通信装置あるいは受信機ともいう。）はシフト鍵量子化データから硬判定により受信側の訂正鍵を生成すると共に、軟判定誤り訂正により算出された誤り訂正情報（以下、シンドローム）を送信側の通信装置（以下、第１通信装置あるいは送信機ともいう。）へ送信する。送信機はシフト鍵データを誤り訂正情報によって訂正して送信側の訂正鍵を生成する。こうして生成された受信側および送信側の訂正鍵の一部を用いて誤り率を計算し、誤り率から鍵共有の成否を判定する。
本発明の実施形態によれば、連続量ＱＫＤシステムにおいて、受信側の通信装置（以下、第２通信装置あるいは受信機ともいう。）はシフト鍵量子化データから硬判定により受信側の訂正鍵を生成すると共に、軟判定誤り訂正により算出された誤り訂正情報（以下、シンドローム）を送信側の通信装置（以下、第１通信装置あるいは送信機ともいう。）へ送信する。送信機はシフト鍵データを誤り訂正情報によって訂正して送信側の訂正鍵を生成する。こうして生成された受信側および送信側の訂正鍵の一部を用いて誤り率を計算し、誤り率から鍵共有の成否を判定する。
【0017】
このように連続量ＱＫＤに軟判定誤り訂正を採用することで、誤り訂正性能を改善すると共に鍵生成レートの向上を達成できる。以下、本発明の実施形態および実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0018】
１．実施形態
１．１）システム構成
図２に例示するように、本実施形態によるＱＫＤシステムは送信機１０および受信機２０から構成され，それらは量子チャネル３１および古典チャネル３２により接続されている。ここで，量子チャネル３１は送信機１０から受信機２０へ微弱光を送信する通信チャネルであり、微弱光は１フォトン／ビット以下の微弱な光パワーを有する。したがって量子チャネルは相対的に損失および雑音が大きく誤りが多いチャネルであり、通常のチャネルより信頼性が低い。
１．１）システム構成
図２に例示するように、本実施形態によるＱＫＤシステムは送信機１０および受信機２０から構成され，それらは量子チャネル３１および古典チャネル３２により接続されている。ここで，量子チャネル３１は送信機１０から受信機２０へ微弱光を送信する通信チャネルであり、微弱光は１フォトン／ビット以下の微弱な光パワーを有する。したがって量子チャネルは相対的に損失および雑音が大きく誤りが多いチャネルであり、通常のチャネルより信頼性が低い。
【0019】
古典チャネル３２は一般的な通信チャネルであり、たとえば通常強度の光パワーで光信号を伝送する。したがって、古典チャネル３２は実質的に誤りのない通信チャネルであり、十分高い通信の信頼性を有する。このために古典チャネル３２は、送信機１０と受信機２０とが基底照合、誤り訂正、秘匿増強を実行する際の必要な情報をやり取りするために用いられる。なお、量子チャネル３１と古典チャネル３２とは物理的に別個の伝送路であってもよいし、１つの光伝送路に多重されていてもよい。
【0020】
送信機１０は、連続量ＱＫＤのための微弱光を送信する量子ユニット１００と、鍵生成処理機能を実現するデータ処理部１０１と、乱数生成部１０２および乱数メモリ１０３と、シフト鍵データ記憶部１０４、訂正鍵記憶部１０５および最終鍵記憶部１０６と、を有する。なお、古典チャネル３２による受信機２０とのデータ通信は図示しない通信部を通して実行される。
【0021】
乱数生成部１０２が生成した乱数は乱数メモリ１０３に格納される。乱数メモリ１０３に格納された乱数は、後述するように鍵生成過程でデータ処理部１０１からアクセスされ、鍵の素Ｋ０および基底Ａとして供給される。量子ユニット１００は、データ処理部１０１による制御の下で、乱数である鍵の素Ｋ０と基底Ａとに従って直交変調された微弱光を量子チャネル３１を通して受信機２０へ送信する。
【0022】
データ処理部１０１は、送信機全体の動作を制御する制御部の他に、後述する基底照合部１０１ａ、誤り訂正部１０１ｂおよび秘匿増強部１０１ｃからなる鍵生成機能を実現する。この鍵生成機能は、たとえばＣＰＵ(Central Processing Unit)等のプロセッサ上で実行されるソフトウエアにより実現されてもよいし、ＦＰＧＡ(Field-Programmable Gate Array)やＡＳＩＣ(Application-Specific Integrated Circuit)のハードウエアにより実現されてもよい。基底照合部１０１ａにより生成されたシフト鍵データＳＳＫはシフト鍵データ記憶部１０４に、誤り訂正部１０１ｂにより生成された訂正鍵Ｋ１Ａは訂正鍵記憶部１０５に、秘匿増強部１０１ｃにより生成された最終鍵ＱＫＡは最終鍵記憶部１０６に、それぞれ格納される。
【0023】
受信機２０は、連続量ＱＫＤのための微弱光を受信する量子ユニット２００と、鍵生成処理機能を実現するデータ処理部２０１と、受信量子化データ記憶部２０２、シフト鍵量子化データ記憶部２０３、訂正鍵記憶部２０４および最終鍵記憶部２０５と、を有する。なお、古典チャネル３２による送信機１０とのデータ通信は図示しない通信部を通して実行される。
【0024】
データ処理部２０１は、受信機全体の動作を制御する制御部の他に、後述する基底照合部２０１ａ、軟判定誤り訂正部２０１ｂ、ビット位置同期判定部２０１ｃ、および秘匿増強部１０１ｃからなる鍵生成機能を実現する。この鍵生成機能は、たとえばＣＰＵ等のプロセッサ上で実行されるソフトウエアにより実現されてもよいし、ＦＰＧＡやＡＳＩＣのハードウエアにより実現されてもよい。
【0025】
量子ユニット２００は、送信機１０から量子チャネル３１を通して到達した微弱光を受信し、後述する受信量子化データＳＱ－ＲＣＶを受信量子化データ記憶部２０２に格納する。データ処理部２０１は、後述するように量子鍵を生成する過程で受信量子化データＳＱ－ＲＣＶにアクセスする。また、基底照合部２０１ａにより生成されたシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫはシフト鍵量子化データ記憶部２０３に、軟判定誤り訂正部２０１ｂおよびビット位置同期判定部２０１ｃにより生成された訂正鍵Ｋ１Ｂは訂正鍵記憶部２０４に、秘匿増強部２０１ｄにより生成された最終鍵ＱＫＢは最終鍵記憶部２０５に、それぞれ格納される。
【0026】
１．２）鍵生成プロセス
図３に例示するように、本実施形態による連続量ＱＫＤシステムでは、微弱光伝送Ｓ３０１、基底照合Ｓ３０２、受信機２０の軟判定誤り訂正Ｓ３０３および送信機１０の誤り訂正Ｓ３０４、同期判定Ｓ３０５、基底位置の設定変更Ｓ３０６、および秘匿増強Ｓ３０７が順次実行され、最終鍵ＱＫＡおよびＱＫＢが生成される。以下、図３～図６を参照しながら説明する。
図３に例示するように、本実施形態による連続量ＱＫＤシステムでは、微弱光伝送Ｓ３０１、基底照合Ｓ３０２、受信機２０の軟判定誤り訂正Ｓ３０３および送信機１０の誤り訂正Ｓ３０４、同期判定Ｓ３０５、基底位置の設定変更Ｓ３０６、および秘匿増強Ｓ３０７が順次実行され、最終鍵ＱＫＡおよびＱＫＢが生成される。以下、図３～図６を参照しながら説明する。
【0027】
＜微弱光伝送＞
図４および図５に例示するように、送信機１０の量子ユニット１００は、鍵の素Ｋ０および基底Ａに従って直交変調された微弱光を送信するものとする（Ｓ３０１）。鍵の素Ｋ０は最終的な鍵を生成する素となる乱数列である。基底Ａも同様に０／１からなる乱数列であるが、説明の便宜上、それぞれ×／＋で表記される。鍵の素Ｋ０および基底Ａの乱数列は所定数毎にフレーム化され、各フレームにおいて図４にビット番号で示すように配置されているものとする。たとえば図４の例示では、２番目のビット位置（ビット番号＝１）では鍵の素Ｋ０＝“０”であり、それに対応する基底Ａ＝“＋”である。
図４および図５に例示するように、送信機１０の量子ユニット１００は、鍵の素Ｋ０および基底Ａに従って直交変調された微弱光を送信するものとする（Ｓ３０１）。鍵の素Ｋ０は最終的な鍵を生成する素となる乱数列である。基底Ａも同様に０／１からなる乱数列であるが、説明の便宜上、それぞれ×／＋で表記される。鍵の素Ｋ０および基底Ａの乱数列は所定数毎にフレーム化され、各フレームにおいて図４にビット番号で示すように配置されているものとする。たとえば図４の例示では、２番目のビット位置（ビット番号＝１）では鍵の素Ｋ０＝“０”であり、それに対応する基底Ａ＝“＋”である。
【0028】
このような鍵の素Ｋ０および基底Ａからなる２ビットの乱数は、図５に例示するように、ＩＱ平面上の４つの信号点のいずれかに配置される（ＩＱ変調）。たとえば基底Ａ＝“×”であれば、鍵の素Ｋ０＝“１”で信号点（×，１）に、Ｋ０＝“０”で信号点（×，０）にそれぞれ配置される。すなわち９０°の位相差を有するＩ信号とＱ信号とを基底Ａの値（＋／×）に対応させ、それぞれの信号値０／１を鍵の素Ｋ０に対応させる。言い換えれば、基底Ａ＝“＋”のときはＩ軸を使って変調を行い、Ａ＝“×”の時はＱ軸を使って変調を行う。
【0029】
このようなＩＱ変調はマッハツェンダ型のＱＰＳＫ(Quadrature Phase Shift Keying)変調器により実現できる。図５では、（基底Ａ，鍵の素Ｋ０）＝（＋，０）のときに０°、（Ａ，Ｋ０）＝（＋，１）のときに１８０°の位相変調を行う。また、（Ａ，Ｋ０）＝（×，０）のときに９０°、（Ａ，Ｋ０）＝（×，１）のときに２７０°の位相変調を行う。このように、微弱光は鍵の素Ｋ０および基底Ａの乱数列に従って０°、９０°、１８０°および２７０°のいずれかの位相変調が与えられ、量子ユニット１００から量子チャネル３１を通して受信機２０へ送信される。
【0030】
もし量子揺らぎが存在しなければ、図５に示す送信信号点配置のように受信機２０の測定値にもばらつきは生じない。しかしながら量子揺らぎにより、受信信号の振幅測定値にはばらつきが生じる。この量子揺らぎにより生じた受信状態を図６の受信量子化データＳＱ－ＲＣＶとして例示する。
【0031】
図６の受信量子化データＳＱ－ＲＣＶに例示するように、４つの状態の直交振幅の分布は重なっており、明確に区別することは原理的にできない。特に微弱光の光パワーが１フォトン／ビット以下の場合、受信データがどの状態であるかを誤りなく区別することは困難になる。受信量子化データＳＱ－ＲＣＶは、このような４つの状態の直交振幅の分布が重なった連続状態として受信信号を量子化したデータである。受信機２０のデータ処理部２０１は、ビット番号を基準ビット位置として振り、受信量子化データＳＱ－ＲＣＶを基準ビット位置と共に受信量子化データ記憶部２０２に格納する。
【0032】
＜基底照合＞
図６に例示するように、送信機１０が微弱光を生成したときの基底Ａ（＋あるいは×）が分かれば、受信機２０はその基底情報を用いて基準ビット位置に従って基底照合を行うことでシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫを生成できる（Ｓ３０２）。たとえば基準ビット位置が正しい場合、基底Ａが＋であれば受信量子化データＳＱ－ＲＣＶに対してＩ軸を選択することで２つの領域のいずれかの量子化データが得られる（正基底）。基底Ａが×であれば受信量子化データＳＱ－ＲＣＶに対してＱ軸を選択することで２つの領域のいずれかの量子化データが得られ、それを－９０°回転することでＩ軸上の量子化データを生成することができる（正基底）。このように正しい基準ビット位置で正しい基底照合であれば、いずれのシンボルであるかを軟判定可能なシフト鍵量子化データを得ることができる。
図６に例示するように、送信機１０が微弱光を生成したときの基底Ａ（＋あるいは×）が分かれば、受信機２０はその基底情報を用いて基準ビット位置に従って基底照合を行うことでシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫを生成できる（Ｓ３０２）。たとえば基準ビット位置が正しい場合、基底Ａが＋であれば受信量子化データＳＱ－ＲＣＶに対してＩ軸を選択することで２つの領域のいずれかの量子化データが得られる（正基底）。基底Ａが×であれば受信量子化データＳＱ－ＲＣＶに対してＱ軸を選択することで２つの領域のいずれかの量子化データが得られ、それを－９０°回転することでＩ軸上の量子化データを生成することができる（正基底）。このように正しい基準ビット位置で正しい基底照合であれば、いずれのシンボルであるかを軟判定可能なシフト鍵量子化データを得ることができる。
【0033】
これに対して、たとえば基準ビット位置がずれており、送信側の基底Ａが＋であるにもかかわらず、誤った基底×で基底照合を行うと、ＩＱ平面の原点近傍の量子化データしか得られず、いずれのシンボルであるか判定できない（誤基底）。
【0034】
なお、基底照合Ｓ３０２には２つの方法がある。第１の方法は送信機１０が基底Ａを全て受信機２０へ古典チャネル３２を通して送信する方法である（第１実施例）。第２の方法は古典チャネル３２を通して送信機１０の基底Ａと受信機２０の基底Ｂとを照合し、一致した基底だけを採用する方法である（第２実施例）。詳細は後述する。
【0035】
送信機１０において、データ処理部１０１は、基底照合により採用された基底（全部あるいは一部の基底）に従って鍵の素Ｋ０からシフト鍵データＳＳＫを生成しシフト鍵データ記憶部１０４に格納する。受信機２０において、データ処理部２０１は、共有鍵を生成するための基準ビット位置を設定し、基底照合により採用された基底に従ってシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫを生成し、シフト鍵量子化データ記憶部２０３に格納する。
【0036】
＜誤り訂正＞
続いて、受信機２０のデータ処理部２０１は軟判定誤り訂正の誤り訂正情報（シンドローム）の計算を行う（Ｓ３０３）。さらにシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫは硬判定されて０／１の系列である訂正鍵Ｋ１Ｂが生成される。シンドロームはシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫと所定の検査行列とから計算され、古典チャネル３２を通して送信機１０へ送信される。
続いて、受信機２０のデータ処理部２０１は軟判定誤り訂正の誤り訂正情報（シンドローム）の計算を行う（Ｓ３０３）。さらにシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫは硬判定されて０／１の系列である訂正鍵Ｋ１Ｂが生成される。シンドロームはシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫと所定の検査行列とから計算され、古典チャネル３２を通して送信機１０へ送信される。
【0037】
送信機１０のデータ処理部１０１は、受信機２０から受信したシンドロームと所定の検査行列とを用いて誤りパターンを算出し、誤りパターンによりシフト鍵データＳＳＫを訂正して訂正鍵Ｋ１Ａを生成する（Ｓ３０４）。したがって、シフト鍵データＳＳＫは、受信機２０のシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫに基づいて計算されたシンドロームにより訂正される。言い換えれば、送信機１０のシフト鍵は受信機２０のシフト鍵量子化データに従って訂正される。
【0038】
＜同期判定＞
送信機１０および受信機２０にそれぞれ訂正鍵Ｋ１Ａおよび訂正鍵Ｋ１Ｂが生成されると、これらの訂正鍵の間の誤り率を計算して同期の成否判定が行われる（Ｓ３０５）。より詳しくは、データ処理部１０１および２０１が古典チャネル３２を通して訂正鍵Ｋ１Ａおよび訂正鍵Ｋ１Ｂの同一ビット番号の値を一部公開し、それらを照合して誤り率（ビット誤り率）を計算する。
送信機１０および受信機２０にそれぞれ訂正鍵Ｋ１Ａおよび訂正鍵Ｋ１Ｂが生成されると、これらの訂正鍵の間の誤り率を計算して同期の成否判定が行われる（Ｓ３０５）。より詳しくは、データ処理部１０１および２０１が古典チャネル３２を通して訂正鍵Ｋ１Ａおよび訂正鍵Ｋ１Ｂの同一ビット番号の値を一部公開し、それらを照合して誤り率（ビット誤り率）を計算する。
【0039】
誤り率が所定の閾値以下であれば同期ＯＫと判定し、所定閾値を超える場合、具体的には５０％近傍（所定範囲内）の場合には同期ＮＧと判定する。ビット位置が一致していない場合には、訂正鍵Ｋ１Ａおよび訂正鍵Ｋ１Ｂの同一部分の値がランダムに異なっており、したがって誤り率は５０％前後に分布するはずである。所定閾値は５０％より十分小さい値に設定されていればよい。
【0040】
たとえば受信機２０において共有鍵を生成するための基準ビット位置が１つずれていた場合、送信機１０でビット番号１の基底＋で送った乱数“０”が受信機２０ではビット番号１ではなくビット番号２の基底で受信される。これ以降、異なるビットで基底照合および誤り訂正が行われるために、送信機１０および受信機２０の訂正鍵Ｋ１ＡおよびＫ１Ｂは全く相関がなくなる。したがってビット誤り率は５０％近くの大きな値となる。
【0041】
同期ＮＧであれば、受信機２０のデータ処理部２０１は基準ビット位置の設定を変更し（動作Ｓ３０６）、以下、誤り率が所定閾値以下となるまで、基底照合（Ｓ３０２）、誤り訂正（Ｓ３０３、Ｓ３０４）および同期判定（Ｓ３０５）を必要な回数繰り返す。
【0042】
＜秘匿増強＞
同期ＯＫになれば、データ処理部１０１および２０１は秘匿増強処理を実行する（Ｓ３０７）。秘匿増強処理は、鍵生成処理中に漏洩した可能性のある情報量を除去し、新たな乱数を最終鍵ＱＫＡ、ＱＫＢとしてそれぞれ生成する過程である。
同期ＯＫになれば、データ処理部１０１および２０１は秘匿増強処理を実行する（Ｓ３０７）。秘匿増強処理は、鍵生成処理中に漏洩した可能性のある情報量を除去し、新たな乱数を最終鍵ＱＫＡ、ＱＫＢとしてそれぞれ生成する過程である。
【0043】
１．３）効果
上述したように、本実施形態によれば、受信機２０はシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫから硬判定処理により訂正鍵Ｋ１Ｂを生成すると共に、軟判定誤り訂正処理により算出されたシンドローム（誤り訂正情報）を送信機１０へ送信する。送信機１０はシフト鍵データＳＳＫをシンドロームを用いて訂正し訂正鍵Ｋ１Ａを生成する。こうして生成された訂正鍵Ｋ１ＡおよびＫ１Ｂの一部を用いて誤り率を計算し、誤り率から鍵共有の成否を判定する。このように連続量ＱＫＤに軟判定誤り訂正を採用することで、誤り訂正性能が改善し鍵生成レートの向上を達成できる。
上述したように、本実施形態によれば、受信機２０はシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫから硬判定処理により訂正鍵Ｋ１Ｂを生成すると共に、軟判定誤り訂正処理により算出されたシンドローム（誤り訂正情報）を送信機１０へ送信する。送信機１０はシフト鍵データＳＳＫをシンドロームを用いて訂正し訂正鍵Ｋ１Ａを生成する。こうして生成された訂正鍵Ｋ１ＡおよびＫ１Ｂの一部を用いて誤り率を計算し、誤り率から鍵共有の成否を判定する。このように連続量ＱＫＤに軟判定誤り訂正を採用することで、誤り訂正性能が改善し鍵生成レートの向上を達成できる。
【0044】
２．第１実施例
２．１）構成
図７に例示するように、本発明の第１実施例による連続量ＱＫＤシステムは、図２に示すＱＫＤシステムと同様に、送信機１０および受信機２０から構成され，それらは量子チャネル３１および古典チャネル３２により接続されているものとする。以下、図２に示す実施形態と同様の機能を有するブロックには同一の参照番号を付して説明を簡略化する。
２．１）構成
図７に例示するように、本発明の第１実施例による連続量ＱＫＤシステムは、図２に示すＱＫＤシステムと同様に、送信機１０および受信機２０から構成され，それらは量子チャネル３１および古典チャネル３２により接続されているものとする。以下、図２に示す実施形態と同様の機能を有するブロックには同一の参照番号を付して説明を簡略化する。
【0045】
本実施例による送信機１０は、上記実施形態と同様に、量子ユニット１００と、データ処理部１０１と、シフト鍵データ記憶部１０４と、乱数生成部１０２および乱数メモリ１０３と、訂正鍵記憶部１０５および最終鍵記憶部１０６と、を有する。ただし、図７では簡略化のために一部ブロックが省略されている。
【0046】
送信機１０の量子ユニット１００は、レーザ光源１１０、ＩＱ変調器１１１および可変減衰器（ＶＯＡ）１１２を含む。なお、図７ではＩＱ変調器１１１が図示されているが、実際には偏波多重ＩＱ変調器が用いられる。偏波多重ＩＱ変調器では、Ｘ偏波およびＹ偏波にそれぞれＩＱ変調器が設けられ、それぞれＩＱ変調された光信号が偏波多重され微弱光として送信される。１つのＩＱ変調器は２つのマッハツェンダ型変調器を並列接続することが構成され得る。偏波多重ＩＱ変調器は各偏波で同様にＩＱ変調器を設けることで構成される。
【0047】
データ処理部１０１は鍵の素Ｋ０および基底Ａに従ってＩＱ変調器１１１を制御する。これによりＩＱ変調器１１１はレーザ光源１１０から出射したレーザ光を図５に示すようにＩＱ変調する。可変減衰器１１２はＩＱ変調されたレーザ光を光パワーが１フォトン／ビット以下の微弱な状態まで減衰する。こうして得られた微弱光ＬＱが量子チャネル３１を通して受信機２０へ送信される。
【0048】
本実施例による受信機２０は、量子ユニット２００と、データ処理部２０１と、受信量子化データ記憶部２０２、シフト鍵量子化データ記憶部２０３、訂正鍵記憶部２０４および最終鍵記憶部２０５と、を有する。ただし、図７では簡略化のために一部ブロックが省略されている。
【0049】
受信機２０の量子ユニット２００は、局所レーザ光源２１０、９０°ハイブリッド２１１、バランス型レシーバ（ＢＤ: Balanced Receiver）、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）、およびデジタル信号処理部（ＤＳＰ）２１２を含む。なお、上述した偏波多重ＩＱ変調方式において、量子チャネル３１を通して到達した微弱光ＬＱＲＣＶを偏波分離し、Ｘ偏波およびＹ偏波ごとに、９０°ハイブリッド２１１、ＢＤおよびＡＤＣからなる検波モジュールが設けられる。
【0050】
９０°ハイブリッド２１１は微弱光ＬＱＲＣＶと局所レーザ光ＬＯとを入力し、それらを干渉させて微弱光ＬＱＲＣＶの電界のＩ成分とＱ成分を抽出する（コヒーレント検波）。これらのＩ成分およびＱ成分はそれぞれＢＤにより電気信号に変換され、ＡＤＣでサンプリングされる。ＤＳＰ２１２は、サンプリングされたＩ成分およびＱ成分に対して波長分散補償、偏波分離や等化等の処理を実行し、受信量子化データＳＱ－ＲＣＶを出力する。
【0051】
上述したように、微弱光ＬＱＲＣＶと局所レーザ光ＬＯとを干渉させる受信方式はコヒーレント検波と呼ばれる。コヒーレント検波では光パワーの強い局所光を信号光と干渉させることにより、信号光の光増幅効果を得ることができる。このため，信号光のパワーが１フォトン／ビット以下の微弱な状態であっても、一般的な光検出器を用いて検波することが可能となる。
【0052】
特にデジタルコヒーレント光受信器ではイントラダイン方式が主流となっている。イントラダイン方式は、微弱光ＬＱＲＣＶと局所レーザ光ＬＯの周波数を一致させるのではなく、ある程度のオフセットを許容する方式である。周波数オフセットによるビート周波数の影響はＤＳＰ２１２で補償することができ、局所レーザ光源２１０の高精度な波長制御が不要となる等の利点がある。
【0053】
上述したように受信量子化データＳＱ－ＲＣＶが得られると、図８に例示するように鍵生成プロセスにより最終鍵が生成される。以下の鍵生成プロセスは、送信機１０のプログラムメモリ１２０と受信機２０のプログラムメモリ２２０にそれぞれ格納されたプログラムをデータ処理部１０１および２０１上でそれぞれ実行することにより実現することができる。
【0054】
２．２）鍵生成プロセス
図８において、送信機１０のデータ処理部１０１は、乱数を鍵の素Ｋ０および基底Ａ（＋基底、×基底）としてＩＱ変調器１１１を駆動し、ＩＱ変調された微弱光ＬＱを量子チャネル３１を通して伝送する（動作Ｓ４０１）。受信機２０の量子ユニット２００は到達した微弱光ＬＱＲＣＶをコヒーレント検波し、データ処理部１０１はビット番号を基準ビット位置として振り、受信量子化データＳＱ－ＲＣＶを基準ビット位置と共に受信量子化データ記憶部２０２に格納する。
図８において、送信機１０のデータ処理部１０１は、乱数を鍵の素Ｋ０および基底Ａ（＋基底、×基底）としてＩＱ変調器１１１を駆動し、ＩＱ変調された微弱光ＬＱを量子チャネル３１を通して伝送する（動作Ｓ４０１）。受信機２０の量子ユニット２００は到達した微弱光ＬＱＲＣＶをコヒーレント検波し、データ処理部１０１はビット番号を基準ビット位置として振り、受信量子化データＳＱ－ＲＣＶを基準ビット位置と共に受信量子化データ記憶部２０２に格納する。
【0055】
続いて、送信機１０のデータ処理部１０１は、鍵の素Ｋ０および基底Ａによる微弱光伝送が完了した後、使用した基底Ａの乱数（＋、×）を古典チャネル３２を通して受信機２０へ通知する（動作Ｓ４０２）。
【0056】
受信機２０のデータ処理部２０１は、基準ビット位置に従って、図６に示すように送信機１０から受信した基底Ａに基づいて受信量子化データＳＱ－ＲＣＶの基底照合を行う（動作Ｓ４０３）。これによりシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫを生成し、シフト鍵量子化データ記憶部２０３に格納する。一方、送信機１０のデータ処理部１０１は、全ての基底Ａを受信機２０へ通知したので、対応する鍵の素Ｋ０をシフト鍵データＳＳＫとしてシフト鍵データ記憶部１０４に格納する。
【0057】
続いて、受信機２０のデータ処理部２０１は、軟判定誤り訂正符号化により誤り訂正情報（シンドローム）を算出し、硬判定によりシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫから０／１の系列である訂正鍵Ｋ１Ｂを生成する（動作Ｓ４０４）。シンドロームはシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫと所定の検査行列とから計算され、古典チャネル３２を通して送信機１０へ送信される。
【0058】
送信機１０のデータ処理部１０１は、受信機２０から受信したシンドロームと所定の検査行列とを用いてシフト鍵データＳＳＫを訂正し訂正鍵Ｋ１Ａを生成する（Ｓ４０５）。
【0059】
送信機１０および受信機２０は、それぞれ訂正鍵Ｋ１Ａおよび訂正鍵Ｋ１Ｂが生成されると同期判定機能を起動する。本実施例では、送信機１０のデータ処理部１０１は訂正鍵Ｋ１Ａの一部（たとえば先頭から所定ビット番号までの訂正鍵ビット値）を受信機２０へ古典チャネル３２を通して送信する（動作Ｓ４０６）。受信機２０のデータ処理部２０１は、訂正鍵Ｋ１Ａの一部を受信すると、同じ部分の訂正鍵Ｋ１Ｂと比較して誤り率を計算する（動作Ｓ４０７）。
【0060】
受信機２０のデータ処理部２０１は、誤り率と所定閾値とを比較することで同期の成否を判定する（動作４０８）。一例として、誤り率が所定の閾値以下であれば同期ＯＫと判定し、所定閾値を超える場合には同期ＮＧと判定する。所定閾値は５０％より十分小さい値に設定される。同期判定の結果（ＯＫあるいはＮＧ）は送信機１０へ通知される（動作４０９）。
【0061】
同期ＮＧであれば、受信機２０のデータ処理部２０１は、基準ビット位置を変更（１ビットスライド）する（動作Ｓ４１０）。以下、上述した基底照合Ｓ４０３へ戻り、誤り率が所定閾値以下（同期ＯＫ）となるまで上記動作（Ｓ４０３～Ｓ４０８）を繰り返す。
【0062】
送信機１０のデータ処理１０１は、受信機２０から通知された同期判定結果を判定し（動作Ｓ４１１）、同期ＮＧであれば誤り訂正Ｓ４０５へ戻る。受信機２０からの新たなシンドロームの通知があれば、新たなシンドロームで誤り訂正を行い訂正鍵Ｋ１Ａを生成する。以下同様である。
【0063】
こうして誤り率が所定閾値以下（同期ＯＫ）になると、送信機１０および受信機２０のデータ処理部１０１および２０１は、訂正鍵Ｋ１Ａおよび訂正鍵Ｋ１Ｂにおいて誤り訂正や同期判定で公開されたビットを破棄し、残りの訂正鍵を共有鍵として訂正鍵記憶部１０５および２０４に格納する。そして続く秘匿増強処理を実行し最終鍵ＱＫＡおよびＱＫＢを生成する（動作Ｓ４１２、Ｓ４１３）。
【0064】
なお、同期ＮＧが所定回数を超える場合は、データ処理部２０１は現在フレームを廃棄して処理を終了し、基準ビット位置を１ビットスライドした状態で次のフレームの基底照合を行うことができる。
【0065】
２．３）効果
上述したように、本実施例によれば、上述した実施形態と同様に、連続量ＱＫＤに軟判定誤り訂正を採用することで誤り訂正性能が改善し鍵生成レートの向上を達成できる。さらに本実施例によれば、送信機１０から受信機２０へ基底Ａを全て通知し、受信機２０が基底Ａを用いて基底照合を行う。したがって基底照合において鍵が減少しないのでシフト鍵の生成効率が大きく増加するという利点がある。
上述したように、本実施例によれば、上述した実施形態と同様に、連続量ＱＫＤに軟判定誤り訂正を採用することで誤り訂正性能が改善し鍵生成レートの向上を達成できる。さらに本実施例によれば、送信機１０から受信機２０へ基底Ａを全て通知し、受信機２０が基底Ａを用いて基底照合を行う。したがって基底照合において鍵が減少しないのでシフト鍵の生成効率が大きく増加するという利点がある。
【0066】
３．第２実施例
３．１）構成
図９に例示するように、本発明の第２実施例による連続量ＱＫＤシステムは、図７に示す第１実施例と同様に、送信機１０および受信機２０から構成され，それらは量子チャネル３１および古典チャネル３２により接続されているものとする。以下、図７に示す第１実施例と異なる機能について主に説明し、同様の機能を有するブロックには同一の参照番号を付して説明を簡略化する。
３．１）構成
図９に例示するように、本発明の第２実施例による連続量ＱＫＤシステムは、図７に示す第１実施例と同様に、送信機１０および受信機２０から構成され，それらは量子チャネル３１および古典チャネル３２により接続されているものとする。以下、図７に示す第１実施例と異なる機能について主に説明し、同様の機能を有するブロックには同一の参照番号を付して説明を簡略化する。
【0067】
本実施例による送信機１０は、上記実施形態と同様に、量子ユニット１００と、データ処理部１０１と、シフト鍵データ記憶部１０４と、乱数生成部１０２および乱数メモリ１０３と、訂正鍵記憶部１０５および最終鍵記憶部１０６と、を有する。ただし、図９では簡略化のために一部ブロックが省略されている。
【0068】
本実施例による送信機１０の量子ユニット１００は、レーザ光源１３０、位相変調器１３１および可変減衰器１３２を含む。位相変調器１３１はＱＰＳＫ変調器であり、図５に示すように、データ処理部１０１が鍵の素Ｋ０および基底Ａの乱数列に従ってレーザ光に対して０°、９０°、１８０°および２７０°のいずれかの位相変調を与える。こうして位相変調されたレーザ光は可変減衰器１３２により１フォトン／ビット以下の微弱光ＬＱとなり、量子チャネル３１を通して受信機２０へ送信される。
【0069】
なお、第１実施例と同様に、位相変調器１３１は偏波多重ＱＰＳＫ変調器であってもよい。偏波多重ＱＰＳＫ変調器では、Ｘ偏波およびＹ偏波にそれぞれＱＰＳＫ変調器が設けられ、それぞれＱＰＳＫ変調された光信号が偏波多重され微弱光として送信される。
【0070】
本実施例による受信機２０は、量子ユニット２００と、データ処理部２０１と、受信量子化データ記憶部２０２、シフト鍵量子化データ記憶部２０３、訂正鍵記憶部２０４および最終鍵記憶部２０５と、を有する。ただし、図９では簡略化のために一部ブロックが省略されている。
【0071】
受信機２０の量子ユニット２００は、位相変調器ＰＭ、ビームスプリッタＢＳ、光検出器ＰＤ１およびＰＤ２、差分演算部ＳＵＢ、およびアナログ－デジタル変換器ＡＤＣを含む。位相変調器ＰＭは局所レーザ光ＬＯを位相変調する。位相変調された局所レーザ光ＬＯと送信機１０から到達した微弱光ＬＱＲＣＶとがビームスプリッタＢＳへ入射する。位相変調器ＰＭはデータ処理部２０１により乱数である基底Ｂ（＋、×）に従って駆動される。
【0072】
ビームスプリッタＢＳは光の透過率と反射率とが等しく、位相変調された局所レーザ光ＬＯと微弱光ＬＱＲＣＶとを重ね合わせ、２つの出力光をそれぞれ光検出器ＰＤ１、ＰＤ２へ出力する。光検出器ＰＤ１、ＰＤ２からそれぞれ出力される検出信号は差分演算部ＳＵＢで差分演算される。差分演算部ＳＵＢの出力である差信号ＳＲＣＶはＡＤＣにより量子化され、受信量子化データＳＱ－ＲＣＶとして受信量子化データ記憶部２０２に格納される。
【0073】
上述したように、微弱光ＬＱＲＣＶと局所レーザ光ＬＯとを干渉させる受信方式はコヒーレント検波と呼ばれる。コヒーレント検波では光パワーの強い局所光を信号光と干渉させることにより、信号光の光増幅効果を得ることができる。このため，信号光のパワーが１フォトン／ビット以下の微弱な状態であっても、一般的な光検出器を用いて検波することが可能となる。
【0074】
なお、上述した偏波多重位相変調方式では、量子チャネル３１を通して到達した微弱光ＬＱＲＣＶを偏波分離し、Ｘ偏波およびＹ偏波ごとに上記量子ユニット２００を設けてそれぞれの受信量子化データを得ることができる。
【0075】
さらに、偏波多重位相変調方式では、送信機１０において、同一のレーザ光を二分岐し、一方をＸ偏波で微弱光ＬＱを生成し、他方をＹ偏波で局所レーザ光ＬＯとして利用することも可能である。この場合、受信機２０で、到達した信号光を偏波分離した後、Ｙ偏波側の局所レーザ光ＬＯとＸ偏波側の微弱光ＬＱＲＣＶとを上述したように干渉させることができる。この方式はセルフホモダイン検波を呼ばれ、信号光と局所光の波長差の補償が不要となる利点を有するが、その代わりに局所光が伝送路の損失を受けるので伝送距離が限られる。
【0076】
上述したように受信量子化データＳＱ－ＲＣＶが得られると、図１０に例示するように鍵生成プロセスにより最終鍵が生成される。以下の鍵生成プロセスは、送信機１０のプログラムメモリ１４０と受信機２０のプログラムメモリ２４０にそれぞれ格納されたプログラムをデータ処理部１０１および２０１上でそれぞれ実行することにより実現することができる。
【0077】
３．２）鍵生成プロセス
図１０において、送信機１０のデータ処理部１０１は、乱数を鍵の素Ｋ０および基底Ａ（＋基底、×基底）として位相変調器１３１を駆動し、位相変調された微弱光ＬＱを量子チャネル３１を通して伝送する（動作Ｓ５０１）。
図１０において、送信機１０のデータ処理部１０１は、乱数を鍵の素Ｋ０および基底Ａ（＋基底、×基底）として位相変調器１３１を駆動し、位相変調された微弱光ＬＱを量子チャネル３１を通して伝送する（動作Ｓ５０１）。
【0078】
受信機２０のデータ処理部２０１は、受信側の基底Ｂに従って量子ユニット２００の位相変調器ＰＭを駆動して局所レーザ光ＬＯを位相変調する。量子ユニット２００は、位相変調された局所レーザ光ＬＯと到達した微弱光ＬＱＲＣＶと干渉させることでコヒーレント検波して受信量子化データＳＱ－ＲＣＶを出力する。データ処理部２０１はビット番号を基準ビット位置として振り、受信量子化データＳＱ－ＲＣＶを基準ビット位置と共に受信量子化データ記憶部２０２に格納する。
【0079】
続いて、受信機２０のデータ処理部２０１は、受信側の基底Ｂを古典チャネル３２を通して送信機１０へ通知する（動作Ｓ５０２）。
【0080】
送信機１０のデータ処理部１０１は、受信機２０から送られた基底Ｂと鍵の素Ｋ０の基底Ａとを照合し、基底が一致したビット番号を古典チャネル３２を通して受信機２０へ通知する（動作Ｓ５０４）。同時に、基底が一致した鍵の素Ｋ０のみを残してシフト鍵データＳＳＫをシフト鍵データ記憶部１０４に格納する。
【0081】
受信機２０のデータ処理部２０１は、基底が一致したビット番号を受け取ると、基準ビット位置に従って受信量子化データ記憶部２０２に格納された受信量子化データＳＱ－ＲＣＶの基底照合を行う（動作Ｓ５０５）。こうして基底が一致したビット番号の受信量子化データＳＱ－ＲＣＶからシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫを生成しシフト鍵量子化データ記憶部２０３に格納する。
【0082】
以下、第１実施例と同様のデータ処理が実行される。すなわち、受信機２０のデータ処理部２０１は、軟判定誤り訂正符号化により誤り訂正情報（シンドローム）を算出した後、硬判定によりシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫから０／１の系列である訂正鍵Ｋ１Ｂを生成する（動作Ｓ５０６）。シンドロームはシフト鍵量子化データＳＱ－ＳＫと所定の検査行列とから計算され、古典チャネル３２を通して送信機１０へ送信される。
【0083】
送信機１０のデータ処理部１０１は、受信機２０から受信したシンドロームと所定の検査行列とを用いてシフト鍵データＳＳＫを訂正して訂正鍵Ｋ１Ａを生成する（Ｓ５０７）。
【0084】
送信機１０および受信機２０は、それぞれ訂正鍵Ｋ１Ａおよび訂正鍵Ｋ１Ｂが生成されると同期判定機能を起動する。本実施例では、受信機２０のデータ処理部２０１は訂正鍵Ｋ１Ｂの一部（たとえば先頭から所定ビット番号までの訂正鍵ビット値）を送信機１０へ古典チャネル３２を通して送信する（動作Ｓ５０８）。送信機１０のデータ処理部１０１は、訂正鍵Ｋ１Ｂの一部を受信すると、同じ部分の訂正鍵Ｋ１Ａと比較して誤り率を計算する（動作Ｓ５０９）。
【0085】
送信機１０のデータ処理部１０１は、誤り率と所定閾値とを比較することで同期の成否を判定する（動作５１０）。一例として、誤り率が所定の閾値以下であれば同期ＯＫと判定し、所定閾値を超える場合には同期ＮＧと判定する。所定閾値は５０％より十分小さい値に設定される。同期判定の結果（ＯＫあるいはＮＧ）は受信機２０へ通知される（動作５１１）。
【0086】
受信機２０のデータ処理部２０１は、送信機１０から通知された同期判定結果を判定する（動作Ｓ５１２）。同期判定の結果が同期ＮＧであれば、受信機２０のデータ処理部２０１は基準ビット位置を変更（１ビットスライド）する（動作Ｓ５１３）。以下、上述した基底照合Ｓ５０５へ戻り、誤り率が所定閾値以下（同期ＯＫ）となるまで上記動作（Ｓ５０５～Ｓ５０３）を繰り返す。
【0087】
送信機１０のデータ処理部１０１は、同期ＮＧであれば誤り訂正Ｓ５０７へ戻る。受信機２０からの新たなシンドロームの通知があれば、新たなシンドロームで誤り訂正を行い訂正鍵Ｋ１Ａを生成する。以下同様である。
【0088】
こうして誤り率が所定閾値以下（同期ＯＫ）になると、送信機１０および受信機２０のデータ処理部１０１および２０１は、訂正鍵Ｋ１Ａおよび訂正鍵Ｋ１Ｂにおいて誤り訂正や同期判定で公開されたビットを破棄し、残りの訂正鍵を共有鍵として訂正鍵記憶部１０５および２０４に格納する。そして続く秘匿増強処理を実行し最終鍵ＱＫＡおよびＱＫＢを生成する（動作Ｓ５１４、Ｓ５１５）。
【0089】
なお、同期ＮＧが所定回数を超える場合は、データ処理部２０１は現在フレームを廃棄して処理を終了し、基準ビット位置を１ビットスライドした状態で次のフレームの基底照合を行うことができる。
【0090】
３．３）効果
上述したように、本実施例によれば、上述した実施形態と同様に、連続量ＱＫＤに軟判定誤り訂正を採用することで誤り訂正性能が改善し鍵生成レートの向上を達成できるという効果を得ることができる。さらに本実施例によれば、送信機１０および受信機２０で基底が一致したデータだけでシフト鍵が生成されるので、基底照合において鍵が減少するもののシフト鍵の効率的な生成が可能となる。
上述したように、本実施例によれば、上述した実施形態と同様に、連続量ＱＫＤに軟判定誤り訂正を採用することで誤り訂正性能が改善し鍵生成レートの向上を達成できるという効果を得ることができる。さらに本実施例によれば、送信機１０および受信機２０で基底が一致したデータだけでシフト鍵が生成されるので、基底照合において鍵が減少するもののシフト鍵の効率的な生成が可能となる。
【0091】
４．付記
上述した実施形態および実施例の一部あるいは全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、これらに限定されるものではない。
（付記１）
相対的に信頼性の低い第１チャネルと信頼性の高い第２チャネルとにより接続された第１通信装置と第２通信装置との間で連続量量子鍵配送により共有鍵を生成する方法であって、
ａ）前記第１通信装置が、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を前記第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、
ｂ）前記第２通信装置が、前記第１チャネルを通して受け取った前記微弱光をコヒーレント検波して受信量子化データを生成し、
ｃ）前記第２通信装置が前記第１通信装置との間で共有鍵を生成するための基準ビット位置を設定し、前記第１通信装置の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記第２通信装置が前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、前記第１通信装置がシフト鍵データを生成し、
ｄ）前記第２通信装置が、前記シフト鍵量子化データを軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記第１通信装置へ送信し、
ｅ）前記第１通信装置が前記誤り訂正情報を用いた誤り訂正処理により前記シフト鍵データから第１訂正鍵を生成し、前記第２通信装置が硬判定処理することで前記シフト鍵量子化データから第２訂正鍵を生成し、
ｆ）前記第１通信装置または前記第２通信装置が、前記第２チャネルを通して前記第１訂正鍵および前記第２訂正鍵の一部を用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記第１訂正鍵および前記第２訂正鍵が共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする共有鍵生成方法。
（付記２）
前記ｆ）において前記誤り率が所定値以下である場合は、前記第１訂正鍵および前記第２訂正鍵の前記一部を破棄した残りの訂正鍵を前記第１通信装置および前記第２通信装置の共有鍵とし、
前記ｆ）において前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ｃ）に戻り前記基準ビット位置の設定を変更する、
ことを特徴とする付記１に記載の共有鍵生成方法。
（付記３）
前記ｆ）において、前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ｃ）に戻り前記基準ビット位置の設定を１ビット分スライドさせる、ことを特徴とする付記２に記載の共有鍵生成方法。
（付記４）
前記ｃ）において、前記第１通信装置が前記第１乱数列を前記第２チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、前記第２通信装置が前記第１乱数列に従って前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成する、ことを特徴とする付記１－３のいずれか１項に記載の共有鍵生成方法。
（付記５）
前記ｃ）において、前記第２通信装置が第３乱数列を生成して前記第２チャネルを通して前記第１通信装置へ送信し、前記第１通信装置が前記第１乱数列と前記第３乱数列とを照合し、一致したビット位置を前記第２通信装置へ送信する、ことを特徴とする付記１－３のいずれか１項に記載の共有鍵生成方法。
（付記６）
前記第１通信装置および前記第２通信装置が共有した前記共有鍵に基づいて秘匿増強処理を実行し、最終鍵を生成することを特徴とする付記１－５のいずれか１項に記載の共有鍵生成方法。
（付記７）
前記微弱光はパルス当たり１光子以下であることを特徴とする付記１－６のいずれか１項に記載の共有鍵生成方法。
（付記８）
相対的に信頼性の低い第１チャネルと信頼性の高い第２チャネルとにより接続された送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機であって、
前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を前記第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力する量子ユニットと、
前記第２チャネルを通して前記送信機と通信することで前記受信量子化データから共有鍵を生成するデータ処理部と、
を有し、前記データ処理部が、
ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、
ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理により算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、
ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする受信機。
（付記９）
前記データ処理部が、
前記ｃ）において前記誤り率が所定値以下である場合は、前記訂正鍵の前記一部を破棄した残りの訂正鍵を前記共有鍵とし、
前記ｃ）において前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ａ）に戻り前記基準ビット位置の設定を変更する、
ことを特徴とする付記８に記載の受信機。
（付記１０）
前記ｃ）において、前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ａ）に戻り前記基準ビット位置の設定を１ビット分スライドさせる、ことを特徴とする付記９に記載の受信機。
（付記１１）
前記データ処理部が、前記ａ）において、前記送信機から前記第１乱数列を前記第２チャネルを通して受信し、前記第１乱数列に従って前記受信量子化データから前記シフト鍵量子化データを生成する、ことを特徴とする付記８－１０のいずれか１項に記載の受信機。
（付記１２）
前記データ処理部が、前記ａ）において、第３乱数列を生成して前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、前記送信機から前記第１乱数列と前記第３乱数列との一致したビット位置を受信する、ことを特徴とする付記８－１０のいずれか１項に記載の受信機。
（付記１３）
付記８－１２のいずれか１項に記載の受信機と接続された送信機であって、
前記微弱光を前記第１チャネルを通して前記受信機へ送信する送信側量子ユニットと、
前記第２チャネルを通して前記受信機と通信することで前記第２乱数列から共有鍵を生成する送信側データ処理部と、
を有し、前記送信側データ処理部が、前記受信機から受信した前記誤り訂正情報に従って前記シフト鍵データから送信側の訂正鍵を生成し、前記送信側の訂正鍵の一部と前記受信機の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記送信側の訂正鍵が共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする送信機。
（付記１４）
相対的に信頼性の低い第１チャネルと信頼性の高い第２チャネルとにより接続された送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機の通信制御方法であって、
量子ユニットが、前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を前記第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力し、
データ処理部が、
ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、
ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、
ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする受信機の通信制御方法。
（付記１５）
前記データ処理部が、
前記ｃ）において前記誤り率が所定値以下である場合は、前記訂正鍵の前記一部を破棄した残りの訂正鍵を前記共有鍵とし、
前記ｃ）において前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ａ）に戻り前記基準ビット位置の設定を変更する、
ことを特徴とする付記１４に記載の受信機の通信制御方法。
（付記１６）
前記ｃ）において、前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ａ）に戻り前記基準ビット位置の設定を１ビット分スライドさせる、ことを特徴とする付記１５に記載の受信機の通信制御方法。
（付記１７）
前記データ処理部が、前記ａ）において、前記送信機から前記第１乱数列を前記第２チャネルを通して受信し、前記第１乱数列に従って前記受信量子化データから前記シフト鍵量子化データを生成する、ことを特徴とする付記１４－１６のいずれか１項に記載の受信機の通信制御方法。
（付記１８）
前記データ処理部が、前記ａ）において、第３乱数列を生成して前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、前記送信機から前記第１乱数列と前記第３乱数列との一致したビット位置を受信する、ことを特徴とする付記１４－１６のいずれか１項に記載の受信機の通信制御方法。
（付記１９）
相対的に信頼性の低い第１チャネルと信頼性の高い第２チャネルとにより接続された送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
量子ユニットが、前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を前記第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力する機能と、
データ処理部が、ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成する機能と、
ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで前記シフト鍵量子化データから訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信する機能と、
ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する機能と、
を前記コンピュータに実現することを特徴とするプログラム。
上述した実施形態および実施例の一部あるいは全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、これらに限定されるものではない。
（付記１）
相対的に信頼性の低い第１チャネルと信頼性の高い第２チャネルとにより接続された第１通信装置と第２通信装置との間で連続量量子鍵配送により共有鍵を生成する方法であって、
ａ）前記第１通信装置が、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を前記第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、
ｂ）前記第２通信装置が、前記第１チャネルを通して受け取った前記微弱光をコヒーレント検波して受信量子化データを生成し、
ｃ）前記第２通信装置が前記第１通信装置との間で共有鍵を生成するための基準ビット位置を設定し、前記第１通信装置の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記第２通信装置が前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、前記第１通信装置がシフト鍵データを生成し、
ｄ）前記第２通信装置が、前記シフト鍵量子化データを軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記第１通信装置へ送信し、
ｅ）前記第１通信装置が前記誤り訂正情報を用いた誤り訂正処理により前記シフト鍵データから第１訂正鍵を生成し、前記第２通信装置が硬判定処理することで前記シフト鍵量子化データから第２訂正鍵を生成し、
ｆ）前記第１通信装置または前記第２通信装置が、前記第２チャネルを通して前記第１訂正鍵および前記第２訂正鍵の一部を用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記第１訂正鍵および前記第２訂正鍵が共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする共有鍵生成方法。
（付記２）
前記ｆ）において前記誤り率が所定値以下である場合は、前記第１訂正鍵および前記第２訂正鍵の前記一部を破棄した残りの訂正鍵を前記第１通信装置および前記第２通信装置の共有鍵とし、
前記ｆ）において前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ｃ）に戻り前記基準ビット位置の設定を変更する、
ことを特徴とする付記１に記載の共有鍵生成方法。
（付記３）
前記ｆ）において、前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ｃ）に戻り前記基準ビット位置の設定を１ビット分スライドさせる、ことを特徴とする付記２に記載の共有鍵生成方法。
（付記４）
前記ｃ）において、前記第１通信装置が前記第１乱数列を前記第２チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、前記第２通信装置が前記第１乱数列に従って前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成する、ことを特徴とする付記１－３のいずれか１項に記載の共有鍵生成方法。
（付記５）
前記ｃ）において、前記第２通信装置が第３乱数列を生成して前記第２チャネルを通して前記第１通信装置へ送信し、前記第１通信装置が前記第１乱数列と前記第３乱数列とを照合し、一致したビット位置を前記第２通信装置へ送信する、ことを特徴とする付記１－３のいずれか１項に記載の共有鍵生成方法。
（付記６）
前記第１通信装置および前記第２通信装置が共有した前記共有鍵に基づいて秘匿増強処理を実行し、最終鍵を生成することを特徴とする付記１－５のいずれか１項に記載の共有鍵生成方法。
（付記７）
前記微弱光はパルス当たり１光子以下であることを特徴とする付記１－６のいずれか１項に記載の共有鍵生成方法。
（付記８）
相対的に信頼性の低い第１チャネルと信頼性の高い第２チャネルとにより接続された送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機であって、
前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を前記第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力する量子ユニットと、
前記第２チャネルを通して前記送信機と通信することで前記受信量子化データから共有鍵を生成するデータ処理部と、
を有し、前記データ処理部が、
ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、
ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理により算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、
ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする受信機。
（付記９）
前記データ処理部が、
前記ｃ）において前記誤り率が所定値以下である場合は、前記訂正鍵の前記一部を破棄した残りの訂正鍵を前記共有鍵とし、
前記ｃ）において前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ａ）に戻り前記基準ビット位置の設定を変更する、
ことを特徴とする付記８に記載の受信機。
（付記１０）
前記ｃ）において、前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ａ）に戻り前記基準ビット位置の設定を１ビット分スライドさせる、ことを特徴とする付記９に記載の受信機。
（付記１１）
前記データ処理部が、前記ａ）において、前記送信機から前記第１乱数列を前記第２チャネルを通して受信し、前記第１乱数列に従って前記受信量子化データから前記シフト鍵量子化データを生成する、ことを特徴とする付記８－１０のいずれか１項に記載の受信機。
（付記１２）
前記データ処理部が、前記ａ）において、第３乱数列を生成して前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、前記送信機から前記第１乱数列と前記第３乱数列との一致したビット位置を受信する、ことを特徴とする付記８－１０のいずれか１項に記載の受信機。
（付記１３）
付記８－１２のいずれか１項に記載の受信機と接続された送信機であって、
前記微弱光を前記第１チャネルを通して前記受信機へ送信する送信側量子ユニットと、
前記第２チャネルを通して前記受信機と通信することで前記第２乱数列から共有鍵を生成する送信側データ処理部と、
を有し、前記送信側データ処理部が、前記受信機から受信した前記誤り訂正情報に従って前記シフト鍵データから送信側の訂正鍵を生成し、前記送信側の訂正鍵の一部と前記受信機の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記送信側の訂正鍵が共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする送信機。
（付記１４）
相対的に信頼性の低い第１チャネルと信頼性の高い第２チャネルとにより接続された送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機の通信制御方法であって、
量子ユニットが、前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を前記第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力し、
データ処理部が、
ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成し、
ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、
ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する、
ことを特徴とする受信機の通信制御方法。
（付記１５）
前記データ処理部が、
前記ｃ）において前記誤り率が所定値以下である場合は、前記訂正鍵の前記一部を破棄した残りの訂正鍵を前記共有鍵とし、
前記ｃ）において前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ａ）に戻り前記基準ビット位置の設定を変更する、
ことを特徴とする付記１４に記載の受信機の通信制御方法。
（付記１６）
前記ｃ）において、前記誤り率が所定値を超えている場合は、前記ａ）に戻り前記基準ビット位置の設定を１ビット分スライドさせる、ことを特徴とする付記１５に記載の受信機の通信制御方法。
（付記１７）
前記データ処理部が、前記ａ）において、前記送信機から前記第１乱数列を前記第２チャネルを通して受信し、前記第１乱数列に従って前記受信量子化データから前記シフト鍵量子化データを生成する、ことを特徴とする付記１４－１６のいずれか１項に記載の受信機の通信制御方法。
（付記１８）
前記データ処理部が、前記ａ）において、第３乱数列を生成して前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信し、前記送信機から前記第１乱数列と前記第３乱数列との一致したビット位置を受信する、ことを特徴とする付記１４－１６のいずれか１項に記載の受信機の通信制御方法。
（付記１９）
相対的に信頼性の低い第１チャネルと信頼性の高い第２チャネルとにより接続された送信機と受信機とからなる連続量量子鍵配送システムにおける受信機としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
量子ユニットが、前記送信機から、それぞれビット位置が相対的に定められた第１乱数列と第２乱数列とに従って直交変調された微弱光を前記第１チャネルを通して受信し、コヒーレント検波して受信量子化データを出力する機能と、
データ処理部が、ａ）共有鍵を生成するための基準ビット位置を設け、前記送信機の前記第１乱数列と一致したビット位置で前記受信量子化データからシフト鍵量子化データを生成する機能と、
ｂ）前記シフト鍵量子化データを硬判定処理することで前記シフト鍵量子化データから訂正鍵を生成し、軟判定誤り訂正処理することで算出された誤り訂正情報を前記第２チャネルを通して前記送信機へ送信する機能と、
ｃ）前記訂正鍵の一部と前記送信機が前記誤り訂正情報を用いて生成した送信側の訂正鍵の一部とを用いて誤り率を算出し、前記誤り率を用いて前記訂正鍵が前記送信機との共有鍵であるか否かを判定する機能と、
を前記コンピュータに実現することを特徴とするプログラム。
【産業上の利用可能性】
【0092】
本発明は、連続量ＱＫＤシステムに適用可能である。
【符号の説明】
【0093】
１０ 送信機
２０ 受信機
３１ 量子チャネル
３２ 古典チャネル
１００ 量子ユニット
１０１ データ処理部
１０１ａ 基底照合部
１０１ｂ 誤り訂正部
１０１ｃ 秘匿増強部
１０２ 乱数生成器
１０３ 乱数メモリ
１０４ シフト鍵データ記憶部
１０５ 訂正鍵記憶部
１０６ 最終鍵記憶部
２００ 量子ユニット
２０１ データ処理部
２０１ａ 基底照合部
２０１ｂ 軟判定誤り訂正部
２０１ｃ ビット位置同期判定部
２０１ｄ 秘匿増強部
２０２ 受信量子化データ記憶部
２０３ シフト鍵量子化データ記憶部
２０４ 訂正鍵記憶部
２０５ 最終鍵記憶部
２０ 受信機
３１ 量子チャネル
３２ 古典チャネル
１００ 量子ユニット
１０１ データ処理部
１０１ａ 基底照合部
１０１ｂ 誤り訂正部
１０１ｃ 秘匿増強部
１０２ 乱数生成器
１０３ 乱数メモリ
１０４ シフト鍵データ記憶部
１０５ 訂正鍵記憶部
１０６ 最終鍵記憶部
２００ 量子ユニット
２０１ データ処理部
２０１ａ 基底照合部
２０１ｂ 軟判定誤り訂正部
２０１ｃ ビット位置同期判定部
２０１ｄ 秘匿増強部
２０２ 受信量子化データ記憶部
２０３ シフト鍵量子化データ記憶部
２０４ 訂正鍵記憶部
２０５ 最終鍵記憶部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
