特開 2024-14739 グローバル量子鍵配送ネットワークの確立に適した量子鍵配送装置および方法

(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】P2024014739

(43)【公開日】2024-02-01

(54)【発明の名称】グローバル量子鍵配送ネットワークの確立に適した量子鍵配送装置および方法

(51)【国際特許分類】

   H04L 9/12 20060101AFI20240125BHJP

   H04B 10/70 20130101ALI20240125BHJP

【ＦＩ】

H04L9/12

H04B10/70

【審査請求】有

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023098196

(22)【出願日】2023-06-15

(31)【優先権主張番号】22186505

(32)【優先日】2022-07-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】521124319

【氏名又は名称】テラ クアンタム アーゲー

【氏名又は名称原語表記】ＴＥＲＲＡ ＱＵＡＮＴＵＭ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(72)【発明者】

【氏名】ヴィノコール・ヴァレリー エム．

(72)【発明者】

【氏名】キルサーノフ・ニキータ エス．

(72)【発明者】

【氏名】レソヴィク・ゴルデイ ベー．

(72)【発明者】

【氏名】セカツキ・パヴェル

(72)【発明者】

【氏名】コリベルニコフ・アレクサンダー

(72)【発明者】

【氏名】パストゥシェンコ・ヴァレリア

(72)【発明者】

【氏名】コドゥホフ・アレクセイ

【テーマコード（参考）】

5K102

【Ｆターム（参考）】

5K102AB11

5K102AH02

5K102AH13

5K102AH27

5K102AL01

5K102AL02

5K102AL10

5K102AL22

5K102PA12

5K102PD13

5K102PD15

5K102PH01

5K102PH31

5K102PH43

5K102PH49

5K102RB00

(57)【要約】      （修正有）

【課題】信頼できる第三者に依存しない量子鍵配送のためのグローバネットワークを確立する量子鍵配送装置を提供する。
【解決手段】量子鍵配送装置１０は、送信器装置から複数の光入力信号を受信する入力信号経路１２と、第１端部１６で入力信号経路に接続され、かつ、第１端部と反対側の第２端部２０で複数の第１光出力信号を発信する出力信号経路１４と、第３端部２４で入力信号経路に接続され、かつ、第３端部と反対側の第４端部２８に光子検出器装置２６を含む検出器信号経路２２と、を備え、光子検出器装置が、送信器装置からの複数の光入力信号を検出し、検出した複数の光入力信号に基づいて、送信器装置との間に共有量子暗号化鍵を確立する。入力信号経路は、第１ビームスプリッタ１８を備えるマッハツェンダ干渉計３０の入力経路を形成し、出力信号経路および検出器信号経路は、マッハツェンダ干渉計の出力経路を形成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）であって、
送信器装置から複数の光入力信号を受信する入力信号経路（１２；１２ａ～１２ｆ）と、
第１端部（１６）で前記入力信号経路（１２；１２ａ～１２ｆ）に接続され、かつ前記第１端部と反対側の第２端部（２０）で複数の第１光出力信号を発信する出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）と、
第３端部（２４）で前記入力信号経路（１２）に接続され、かつ前記第３端部（２４）と反対側の第４端部（２８）に光子検出器装置（２６）を含む検出器信号経路（２２）とを備え、
前記光子検出器装置（２６）は、前記送信器装置からの前記複数の光入力信号を検出し、
前記量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）は、検出された前記複数の光入力信号に基づいて、前記送信器装置との間に共有量子暗号化鍵を確立し、
前記入力信号経路（１２；１２ａ～１２ｆ）は、マッハツェンダ干渉計（３０）の入力経路を形成し、前記出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）および前記検出器信号経路（２２）は、前記マッハツェンダ干渉計（３０）の出力経路を形成する
量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）。

【請求項2】

前記量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）は、当該量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）の第１構成設定において、前記出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）を介して前記複数の光入力信号を送信し、特に、前記出力信号経路（１４）を介して実質的に影響を受けない状態で前記複数の光入力信号を送信し、
前記量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）は、前記第１構成設定とは異なる当該量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）の第２構成設定において、前記複数の光入力信号を前記検出器信号経路（２２）に送信する
請求項１に記載の量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）。

【請求項3】

前記量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）は、前記検出器信号経路（２２）に第１位相変調器装置（３４）を備え、
前記第１位相変調器（３４）は、前記検出器信号経路（２２）の光信号の位相を変調し、かつ／または前記検出器信号経路（２２）の光信号の強度を変調し、かつ／または前記出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）に光信号を形成し、かつ／または前記出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）の光信号の強度を変調する
請求項１に記載の量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）。

【請求項4】

前記量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）は、さらに、前記出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）に第２位相変調器装置（３８）を備え、
前記第２位相変調器装置（３８）は、前記出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）の光信号の位相を変調し、かつ／または前記出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）の光信号の強度を変調し、かつ／または前記出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）に光信号を形成し、かつ／または前記検出器信号経路（２２）の光信号の強度を変調する
請求項１に記載の量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）。

【請求項5】

前記第１位相変調器装置（３４）および／または前記第２位相変調器装置（３８）は、光電子位相変調器を含む
請求項３に記載の量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）。

【請求項6】

前記第１位相変調器装置（３４）および／または前記第２位相変調器装置（３８）の切替速度は、５ｎｓ以下、特に１ｎｓ以下または０．５ｎｓ以下である
請求項３に記載の量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）。

【請求項7】

さらに、複数の光信号を前記出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）へ発信する光子源を備える
請求項１に記載の量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）。

【請求項8】

相互接続された請求項１～７のいずれか１項に記載の量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）を複数備える量子鍵配送ネットワーク（４２、４２′、４２″）であって、
前記送信器装置は、複数の前記量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）のうちの第１量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）であり、複数の前記量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）のうちの前記第１量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）の出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）は、複数の前記量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）のうちの第２量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）の入力信号経路（１２；１２ａ～１２ｆ）に接続されており、
前記第２量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）は、検出された前記複数の光入力信号に基づいて、前記第１量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）との間に共有量子暗号化鍵を確立する
量子鍵配送ネットワーク（４２、４２′、４２″）。

【請求項9】

複数の前記量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）は、リングトポロジーで配置されている
請求項８に記載の量子鍵配送ネットワーク（４２′）。

【請求項10】

複数の前記量子鍵配送装置（１０、１０′、１０″；１０ａ～１０ｆ）は、格子トポロジーで配置されている
請求項８に記載の量子鍵配送ネットワーク（４２″）。

【請求項11】

量子鍵配送方法であって、
送信器装置から複数の光入力信号を受信するステップと、
受信された前記複数の光入力信号を、マッハツェンダ干渉計（３０）を介して出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）へ、または光子検出器装置（２６）を含む検出器信号経路（２２）へ選択的に送信するステップとを含み、
受信された前記複数の光入力信号を前記検出器信号経路（２２）へ送信する場合、前記方法は、さらに、
前記送信器装置からの前記複数の光入力信号を、前記光子検出器装置（２６）によって前記検出器信号経路（２２）で検出するステップと、
検出された前記複数の光入力信号に基づいて、前記送信器装置との間に共有量子暗号化鍵を確立するステップとを含む
量子鍵配送方法。

【請求項12】

受信された前記複数の光入力信号は、受信されたスイッチ信号に応答して前記マッハツェンダ干渉計（３０）を介して送信される
請求項１１に記載の量子鍵配送方法。

【請求項13】

さらに、特に第１位相変調器装置（３４）によって、前記検出器信号経路（２２）の光信号の位相を変調するステップ、および／または前記検出器信号経路（２２）の光信号の強度を変調するステップ、および／または前記出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）に光信号を形成するステップ、および／または、前記出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）の光信号の強度を変調するステップを含む
請求項１１に記載の量子鍵配送方法。

【請求項14】

さらに、複数の光信号を前記出力信号経路（１４；１４ａ～１４ｆ）へ発信するステップを含む
請求項１１に記載の量子鍵配送方法。

【請求項15】

前記送信器装置との間に前記共有量子暗号化鍵を確立するステップは、共有ビット列を確立するステップと、特に古典情報チャネルを介して、前記送信器装置と共にプライバシー増幅を行うステップとを含む
請求項１１～１４のいずれか１項に記載の量子鍵配送方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、量子鍵配送（ＱＫＤ）の技術、特に、信頼できる第三者に依存しない量子鍵配送のためのグローバネットワークを確立する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

今後の量子コンピューティングの見通しでは、古典通信ネットワークのセキュリティの柱そのものが脅かされるとのことである。従来の（古典的な）暗号法によって提供されるセキュリティの信用および信頼は、保護を破るための計算の複雑さを打破することはできないという確信に基づいている。しかしながら、量子コンピュータは、既存の複雑さを乗り越える可能性を秘めている。量子鍵配送（ＱＫＤ）は、これらの制約を克服し、かつ安全性が証明可能な古典鍵を正当な当事者間において確立することを可能にする技術である。最近、場合によっては地球全体に及ぶ非常に長い距離にわたって量子暗号化鍵を交換する技術が確立されている。非特許文献１を参照。

【0003】

３人以上の正規ユーザ間、すなわちネットワーク環境において、安全性が証明可能な古典暗号化鍵を確立することを可能にする量子鍵配送ネットワークも研究されている。非特許文献２では、分岐構成またはループ構成のファイバリンクを介した偏光コーディングを用いる量子鍵配送が研究されている。非特許文献３では、ニオブ酸リチウムなどの光スイッチ素子、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、および光学機械システムを利用する、スイッチド・マルチノード・アーキテクチャを備えたＱＫＤが研究されている。ニオブ酸リチウム光スイッチのさらなる参考文献としては、非特許文献４および非特許文献５を参照。

【0004】

非特許文献６には、市販の光スイッチ、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社のＯＳＷ２２－２ｘ２を利用するＱＫＤスイッチベース・ネットワークが開示されている。

【0005】

先行技術に鑑みて、要求されるものは、事実上地球全体に及ぶ長距離にわたって高い鍵レートで確実に暗号化鍵を共有することを可能にするＱＫＤネットワークである。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Ｎ．Ｓ．キルサーノフ（Ｎ．Ｓ．Ｋｉｒｓａｎｏｖ）ら著、「物理的損失制御に基づく長距離量子鍵配送（Ｌｏｎｇ－ｄｉｓｔａｎｃｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｌｏｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ）」、コーネル・プレプリント・サーバ（Ｃｏｒｎｅｌｌ Ｐｒｅｐｒｉｎｔ Ｓｅｒｖｅｒ）、ａｒＸｉｖ：２１０５．０００３５ｖ１、２０２１年４月３０日

【非特許文献2】Ｘ．タン（Ｘ．Ｔａｎｇ）ら著、「アクティブ量子鍵配送ネットワークのデモンストレーション（Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ａｃｔｉｖｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ）」、ＳＰＩＥの会報６３０５（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ ６３０５）、量子通信および量子イメージングＩＶ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｍａｇｉｎｇ ＩＶ）、６３０５０６、２００６年８月２９日

【非特許文献3】Ｐ．トリバー（Ｐ．Ｔｏｌｉｖｅｒ）ら著、「透明な光スイッチ素子による量子鍵配送の実験的研究（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｗｉｔｃｈ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ）」、ＩＥＥＥフォトニクス・テクノロジー・レターズ（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第１５巻、第１１号、２００３年１１月

【非特許文献4】Ｈ．岡山（Ｈ．Ｏｋａｙａｍａ）著、「ニオブ酸リチウム電気光学スイッチング（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）」、スプリンガー（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ）、ボストン（Ｂｏｓｔｏｎ）、２００６年

【非特許文献5】Ｈ．ワング（Ｈ．Ｗａｎｇ）ら著、「逆テーパ状方向性結合器を備えたマッハツェンダ干渉計に基づく広帯域２×２ニオブ酸リチウムの電気光学スイッチ（Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ２ｘ２ ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ ｓｗｉｔｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｍａｃｈ－ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ ｃｏｕｎｔｅｒ－ｔａｐｅｒｅｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｕｐｌｅｒｓ）」、応用光学（Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ）、第５６巻、第２９号、２０１７年１０月、ｐ．８１６４－８１６８

【非特許文献6】Ａ．タイドガノフ（Ａ．Ｔａｙｄｕｇａｎｏｖ）ら著、「量子鍵配送スイッチベース・ネットワークの配備の最適化（Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｗｉｔｃｈ－ｂａｓｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋｓ）」コーネル・プレプリント・サーバ（Ｃｏｒｎｅｌｌ ｐｒｅｐｒｉｎｔ ｓｅｒｖｅｒ）、ａｒＸｉｖ：２１０４．０４１５５ｖ２、２０２１年４月１５日

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

これらの課題は、独立請求項１に記載の量子鍵配送装置と、請求項８に記載の量子鍵配送ネットワークと、独立請求項１１に記載の量子鍵配送方法とによって対処される。従属請求項は、好ましい実施の形態に関する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

第１の態様において、本開示は、送信器装置から複数の光入力信号を受信する入力信号経路と、第１端部で入力信号経路に接続され、かつ第１端部と反対側の第２端部で複数の第１光出力信号を発信する出力信号経路と、第３端部で入力信号経路に接続され、かつ第３端部と反対側の第４端部に光子検出器装置を含む検出器信号経路とを備える量子鍵配送装置に関する。光子検出器装置は、送信器装置からの複数の光入力信号を検出する。量子鍵配送装置は、検出された複数の光入力信号に基づいて、送信器装置との間に共有量子暗号化鍵を確立する。入力信号経路は、マッハツェンダ干渉計の入力経路を形成し、出力信号経路および検出器信号経路は、マッハツェンダ干渉計の出力経路を形成する。

【0009】

有利には、マッハツェンダ干渉計は、信号が検出される受信モードと、信号がネットワーク内の異なるノードに伝えられる送信モードとをユーザが切り替えることを可能にし得るＱＫＤネットワークのネットワークノードを構築できるようにしてもよい。さらに、マッハツェンダ干渉計は、非常に低い損失で数ナノ秒（ｎｓ）以下の範囲の非常に速い切替速度を可能にするため、地球規模で暗号化鍵の高速かつ信頼性のある交換を可能にし得る。

【0010】

本開示において、入力信号経路、出力信号経路、および／または検出器信号経路は、光信号を送信する任意の通信経路を示してもよい。例えば、入力信号経路、出力信号経路、および／または検出器信号経路は、光ファイバ、または自由空間光信号リンクを含んでもよい。

【0011】

それぞれの信号経路の第１端部、第２端部、第３端部、および第４端部は、それぞれ信号経路の端部の順番も順位も表しておらず、単に信号経路の異なる端部を表記上区別するためだけのものである。いくつかの実施の形態では、第１端部、第２端部、第３端部、および第４端部は、異なる位置にあってもよい。他の実施の形態では、第１端部、第２端部、第３端部、および第４端部のうちの２以上が同じ位置にあってもよく、または一致してもよい。

【0012】

送信器装置は、単一光子または光子束などの光信号を量子鍵配送装置に送信する任意の装置を示してもよい。特に、送信器装置は、光子源を含んでもよい。

【0013】

本開示において、光子検出器装置は、光子などの光信号を検出する任意の装置を示してもよい。いくつかの実施の形態では、光子検出器装置は、単一光子を検出してもよい。他の実施の形態では、光子検出器装置は、光子束または光強度を検出してもよい。

【0014】

実施の形態によれば、量子鍵配送装置は、入力信号経路を、出力信号経路の第１端部に接続し、かつ検出器信号経路の第３端部に接続する第１ビームスプリッタを備える。

【0015】

代替または追加として、量子鍵配送装置は、出力信号経路と検出器信号経路とを、特に第１ビームスプリッタの下流で接続する第２ビームスプリッタを備えてもよい。

【0016】

第１ビームスプリッタおよび／または第２ビームスプリッタは、５０／５０ビームスプリッタであってもよい。

【0017】

実施の形態によれば、量子鍵配送装置は、量子鍵配送装置の第１構成設定において、出力信号経路を介して複数の光入力信号を送信し、特に、出力信号経路を介して実質的に影響を受けない状態で複数の光入力信号を送信してもよい。

【0018】

第１構成設定は、量子鍵配送装置がバイスタンダとして働く送信モードに対応してもよく、光入力信号は、実質的に影響を受けない状態で量子鍵配送ネットワーク内の別の量子鍵配送装置に送信される。

【0019】

実施の形態によれば、量子鍵配送装置は、量子鍵配送装置の第１構成設定において、光入力信号を出力信号経路まで確率ｐで送信してもよく、ここで、ｐは、０．７以上、特に０．８以上または０．９以上である。

【0020】

さらに、量子鍵配送装置は、第１構成設定とは異なる量子鍵配送装置の第２構成設定において、複数の光入力信号を検出器信号経路に送信してもよい。

【0021】

第２構成設定は、送信器装置から受信された複数の光信号が光検出器装置によって検出される受信モードに対応してもよく、それにより、検出された複数の光入力信号に基づいて、送信器装置との間に量子暗号化鍵を確立することができる。

【0022】

実施の形態において、量子鍵配送装置、特にマッハツェンダ干渉計は、特に受信されたスイッチ信号に応答して、第１構成設定と第２構成設定とを切り替えてもよい。

【0023】

本開示において、スイッチ信号は、量子鍵配送ネットワーク内の別の量子鍵配送装置、または量子鍵配送ネットワークの中央管理ノードから受信された古典信号を示してもよい。

【0024】

マッハツェンダ干渉計により、光入力信号が送信される第１構成と、信号が検出される第２構成とを迅速かつ効率的に構成切替えできることが本開示の利点である。

【0025】

実施の形態によれば、量子鍵配送装置は、検出器信号経路に第１位相変調器装置を備えてもよく、第１位相変調器は、検出器信号経路の光信号の位相を変調し、かつ／または検出器信号経路の光信号の強度を変調し、かつ／または出力信号経路に光信号を形成し、かつ／または出力信号経路の光信号の強度を変調する。

【0026】

特に、第１位相変調器装置は、第１ビームスプリッタと第２ビームスプリッタとの間に位置してもよい。

【0027】

第１位相変調器装置は、第２ビームスプリッタの前の検出器信号経路の光信号の位相を変調してもよい。その位相変調は、第２ビームスプリッタの後の検出器信号経路および／または出力信号経路における強度の変化をもたらし得る。

【0028】

第１位相変調器装置は、第１位相変調器装置の位相設定に応じて、検出器信号経路の信号強度および／または出力信号経路の信号強度を調整してもよい。

【0029】

実施の形態によれば、第１位相変調器装置は、特に受信されたスイッチ信号に応答して、第１構成設定と第２構成設定とを切り替えてもよい。

【0030】

場合によっては、本開示に係る量子鍵配送装置では、単一の位相変調器装置で十分であり得る。しかしながら、さらに詳細に後述するように、位相変調器装置を１つしか備えない構成では、信号強度範囲にいくつかの制限が適用される場合がある。

【0031】

実施の形態によれば、量子鍵配送装置は、出力信号経路に第２位相変調器装置を備え、第２位相変調器装置は、出力信号経路の光信号の位相を変調し、かつ／または出力信号経路の光信号の強度を変調し、かつ／または出力信号経路に光信号を形成し、かつ／または検出器信号経路の光信号の強度を変調する。

【0032】

特に、第２位相変調器装置は、第１ビームスプリッタと第２ビームスプリッタとの間に位置してもよい。

【0033】

第２位相変調器装置は、位相変調器装置を１つしか備えない量子鍵配送装置において適用される得る信号強度範囲への制限を緩和してもよい。特に、第２位相変調器装置は、量子鍵配送装置が任意に小さい強度の光信号を出力信号経路へ発信することを可能にしてもよい。

【0034】

第２位相変調器装置は、意匠および機能において第１位相変調器装置に対応してもよい。実施の形態によれば、第１位相変調器装置および／または第２位相変調器装置は、光電子位相変調器を含む。

【0035】

第１位相変調器装置および／または第２位相変調器装置によって数ナノ秒以下のオーダの非常に速い切替えが可能になることが、本開示の技術の利点である。

【0036】

実施の形態によれば、第１位相変調器装置および／または第２位相変調器装置の切替速度は、５ｎｓ以下、特に３ｎｓ以下、２ｎｓ以下、１ｎｓ以下、０．５ｎｓ以下、０．２ｎｓ以下、または０．１ｎｓ以下である。

【0037】

実施の形態によれば、量子鍵配送装置は、さらに、複数の光信号を出力信号経路へ発信する光子源を備える。

【0038】

光子源によって、量子鍵配送装置は、ネットワーク内の受信器装置との間に量子暗号化鍵を確立するなどのための、量子鍵配送ネットワーク内で光信号を送信する送信器装置として働いてもよい。

【0039】

実施の形態によれば、量子鍵配送装置は、さらに、乱数生成器、特に量子乱数生成器を備える。乱数生成器、特に量子乱数生成器は、検出器信号経路、特に第１位相変調器装置に接続されてもよい。

【0040】

乱数生成器、特に量子乱数生成器は、第１位相変調器装置の動作および／または第２位相変調器装置の動作を制御してもよい。

【0041】

乱数生成器、特に量子乱数生成器は、量子鍵配送装置が、量子鍵配送ネットワーク内の別の装置との間にセキュアな通信および／または認証のためのセキュアな暗号化鍵を確立するなどのために、対称暗号化に基づく方法、例えばワンタイムパッドなどによって、光信号をランダムに生成することを可能にしてもよい。

【0042】

実施の形態によれば、量子鍵配送装置は、さらに、古典情報チャネルによって送信器装置に接続されてもよい。特に、量子鍵配送装置は、共有ビット列を確立し、かつ、特に古典情報チャネルを介して、送信器装置と共にプライバシー増幅を行ってもよい。

【0043】

共有ビット列を確立するステップは、測定結果の事後選択および／または誤り訂正処理を含んでもよい。

【0044】

上で詳述した説明では、本開示の技術を、主に単一の量子鍵配送装置を参照して説明してきた。しかしながら、本開示はそのように限定されるものではなく、第２の態様では、上述した特徴の一部またはすべてを有する相互接続された量子鍵配送装置を複数備える量子鍵配送ネットワークにも言及する。

【0045】

第２の態様によれば、第１の態様を参照して上述したような送信器装置は、複数の量子鍵配送装置のうちの第１量子鍵配送装置であってもよく、複数の量子鍵配送装置のうちの第１量子鍵配送装置の出力信号経路は、複数の量子鍵配送装置のうちの第２量子鍵配送装置の入力信号経路に接続されてもよい。第２量子鍵配送装置は、検出された複数の光入力信号に基づいて、第１量子鍵配送装置との間に共有量子暗号化鍵を確立してもよい。

【0046】

有利には、本開示に係る量子鍵配送ネットワークは、空間的に離れた異なる地理的位置にわたって分布した複数のエンティティ間において、高い鍵レートで量子暗号化鍵の信頼性のある交換を可能にし得る。

【0047】

実施の形態によれば、複数の量子鍵配送装置は、リングトポロジーで配置されてもよい。

【0048】

リングトポロジーは、隣接するノードへの接続によって定義され得るため、ネットワークトポロジーを指す場合があるが、ネットワーク内のそれぞれの量子鍵配送装置の地理的位置に必ずしも対応しなくてもよい。

【0049】

実施の形態によれば、リングトポロジーは、ｎ個の量子鍵配送装置（ｎは、２以上の任意の整数）を含んでもよく、ｎ個の量子鍵配送装置は、１からｎの順にリング状に配置されてもよい。リングトポロジーのｎ番目の量子鍵配送装置の出力信号経路は、リングトポロジーの第１量子鍵配送装置の入力信号経路に接続されてもよい。

【0050】

別の実施の形態によれば、複数の量子鍵配送装置は、格子トポロジーで配置されてもよい。

【0051】

この場合も、格子トポロジーは、隣接するノードへの接続によって定義され得るため、ネットワークトポロジーを指す場合があるが、ネットワーク内の量子鍵配送装置の地理的位置に必ずしも対応しなくてもよい。

【0052】

格子は、複数の格子ノードを含んでもよく、隣接する格子ノードは、光信号線によって互いに接続されてもよい。

【0053】

実施の形態によれば、複数の格子ノード、特に各格子ノードは、ｍ個のマッハツェンダ干渉計のうちの複数をリングトポロジーで含んでもよく、ｍは、２以上の任意の正の整数、特にｍ＝４であってもよい。

【0054】

同様に、リングトポロジーまたは格子トポロジーとは異なるトポロジーが本開示において利用されてもよい。

【0055】

実施の形態によっては、リングトポロジーおよび／または格子トポロジーは、単一のユーザクラスタのトポロジーを表してもよい。いくつかの別個のクラスタが、光ハイウェイ線によって相互接続されてもよい。

【0056】

第３の態様において、本開示は、送信器装置から複数の光入力信号を受信するステップと、受信された複数の光入力信号を、マッハツェンダ干渉計を介して出力信号経路へ、または光子検出器装置を含む検出器信号経路へ選択的に送信するステップとを含む量子鍵配送方法に関する。

【0057】

受信された複数の光入力信号を検出器信号経路へ送信する場合、本方法は、さらに、送信器装置からの複数の光入力信号を、光子検出器装置によって検出器信号経路で検出するステップと、検出された複数の光入力信号に基づいて、送信器装置との間に共有量子暗号化鍵を確立するステップとを含む。

【0058】

実施の形態によれば、マッハツェンダ干渉計は、本開示の第１の態様および／または第２の態様を参照して上述した特徴の一部またはすべてを有するマッハツェンダ干渉計である。

【0059】

実施の形態において、光入力信号は、実質的に影響を受けない状態でマッハツェンダ干渉計を介して出力信号経路へ送信される。

【0060】

実施の形態によれば、光入力信号は、マッハツェンダ干渉計を介して出力信号経路へ確率ｐで送信されてもよく、ｐは、０．７以上、特に０．８以上、または０．９以上である。

【0061】

実施の形態において、受信された複数の光入力信号は、受信されたスイッチ信号に応答してマッハツェンダ干渉計を介して送信される。

【0062】

実施の形態によれば、本方法は、さらに、特に検出器信号経路の第１位相変調器装置などの第１位相変調器装置によって、検出器信号経路の光信号の位相を変調するステップ、および／または検出器信号経路の光信号の強度を変調するステップ、および／または出力信号経路に光信号を形成するステップ、および／または、出力信号経路の光信号の強度を変調するステップを含む。

【0063】

実施の形態によれば、本方法は、さらに、特に出力信号経路の第２位相変調器装置などの第２位相変調器装置によって、出力信号経路の光信号の位相を変調するステップ、および／または出力信号経路の光信号の強度を変調するステップ、および／または出力信号経路に光信号を形成するステップ、および／または、検出器信号経路の光信号の強度を変調するステップを含む。

【0064】

第２位相変調器装置は、意匠および機能において第１位相変調器装置に対応してもよい。

【0065】

実施の形態において、本方法は、さらに、制御された光子源などによって複数の光信号を出力信号経路へ発信するステップを含む。

【0066】

実施の形態によれば、送信器装置との間に共有量子暗号化鍵を確立するステップは、共有ビット列を確立するステップと、特に古典情報チャネルを介して、送信器装置と共にプライバシー増幅を行うステップとを含む。

【0067】

共有ビット列を確立するステップは、測定結果の事後選択および／または誤り訂正処理を含んでもよい。

【図面の簡単な説明】

【0068】

本開示の技術および関連する利点は、添付の図に関連した例示的な実施の形態の詳細な説明から最良に理解される。

【図1】図１は、実施の形態に係る量子鍵配送装置の概略図である。

【図2】図２は、実施の形態に係る量子鍵配送装置において１つの位相変調器が利用されるマッハツェンダ干渉計アーキテクチャの概略図である。

【図3】図３は、実施の形態に係る量子鍵配送装置において２つの位相変調器が利用される別のマッハツェンダ干渉計アーキテクチャの概略図である。

【図4】図４は、実施の形態に係る量子鍵配送の方法のフロー図である。

【図5】図５は、実施の形態に係る量子鍵配送ネットワークの概略図である。

【図6】図６は、実施の形態に係るリングトポロジーの量子鍵配送ネットワークを概略的に示す図である。

【図7】図７は、実施の形態に係る、リングトポロジーを有する量子鍵配送ネットワーク内における量子鍵配送のネットワーク動作方法を概略的に示す図である。

【図8a】図８ａは、実施の形態に係る格子トポロジーの量子鍵配送ネットワークを概略的に示す図である。

【図8b】図８ｂは、格子トポロジーを有する量子鍵配送ネットワークにおける、実施の形態に係る格子ノードを概略的に示す図である。

【図9】図９は、実施の形態に係るクラスタトポロジーの量子鍵配送ネットワークを概略的に示す図である。

【図10】図１０は、実施の形態に係る複数のクラスタから構築されたグローバル量子鍵配送ネットワークを概略的に示す図である。

【図11】図１１は、実施の形態に係る量子鍵配送ネットワークにおいて、グローバルな距離にわたって達成することができる鍵生成レートを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0069】

図１は、実施の形態に係る量子鍵配送装置１０の概略図である。量子鍵配送装置１０は、送信器装置（図示せず）から複数の光入力信号を受信する入力信号経路１２を備え、送信器装置は、光ファイバチャネルによって量子鍵配送装置１０に接続されてもよい。量子鍵配送装置１０は、さらに、第１端部１６、例えば第１ビームスプリッタ１８で入力信号経路１２に接続された出力信号経路１４を備える。出力信号経路１４は、さらに、第１端部１６と反対側の第２端部２０で複数の第１光出力信号を発信してもよい。

【0070】

図１からさらに分かるように、量子鍵配送装置１０は、さらに、第３端部２４で入力信号経路１２に接続された検出器信号経路２２を備える。図１に示す構成では、検出器信号経路２２の第３端部２４は、出力信号経路１４の第１端部１６、ひいては第１ビームスプリッタ１８の位置に相当する。第１ビームスプリッタ１８は、出力信号経路１４の第１端部１６／検出器信号経路２２の第３端部２４において、入力信号経路１２を出力信号経路１４と検出器信号経路２２に分けている。

【0071】

図１に示すアーキテクチャでは、入力信号経路１２は、機能的にマッハツェンダ（ＭＺ）干渉計３０と考えることができる装置の入力経路を形成し、出力信号経路１４および検出器信号経路２２は、マッハツェンダ干渉計３０の出力経路を形成している。

【0072】

検出器信号経路２２の第３端部２４と反対側の第４端部２８には、光子検出器装置２６が位置する。光子検出器装置２６は、送信器装置からの複数の光入力信号を検出し、複数の光入力信号は、量子鍵配送装置１０のスイッチ設定、または特にマッハツェンダ干渉計３０のスイッチ設定に応じて、入力信号経路１２、第１ビームスプリッタ１８、および検出器信号経路２２を介して光子検出器装置２６に到達し得る。

【0073】

入力信号経路１２、出力信号経路１４、および検出器信号経路２２は、光ファイバを含んでもよいが、一般に、自由空間伝送リンクを含む、光信号を送信する任意のチャネルが、本発明において適用され得る。

【0074】

信号経路の第１端部１６、第２端部２０、第３端部２４、および第４端部２８という表示は、単に表記上区別するためだけのものであり、必ずしも順番または順位を示唆するものではない。

【0075】

図１に示すような量子鍵配送装置１０は、検出された複数の光入力信号に基づいて、送信器装置との間にワンタイムパッドの形態などの共有量子暗号化鍵を確立する。

【0076】

有利には、第１ビームスプリッタ１８によって、量子鍵配送装置１０は、入力信号経路１２で受信された複数の光入力信号が実質的に影響を受けない状態で出力信号経路１４まで送信される送信構成と、入力信号経路１２で受信された複数の光信号が検出器信号経路２２に送信され、光検出器装置２６で受信および測定される受信構成に切り替えられてもよい。送信構成では、量子鍵配送装置１０は、入力信号に（実質的に）干渉しないバイスタンダ装置として働く。対照的に、量子鍵配送装置１０の受信構成では、さらに詳細に後述するように、入力信号経路１２で受信された複数の光信号は、光検出器装置２６で傍受および測定され、量子鍵配送装置１０が、検出された複数の光入力信号に基づいて、送信器装置との間に共有量子暗号化鍵を確立することを可能にする。

【0077】

図２は、実施の形態に係る、マッハツェンダ干渉計３０として実装された量子鍵配送装置１０′の概略図である。図２の量子鍵配送装置１０′の機能は、図１の量子鍵配送装置１０に概ね対応し、対応する構成要素は、同じ参照番号を共有する。

【0078】

５０／５０ビームスプリッタであってもよい第１ビームスプリッタ１８において、入力信号経路１２は、出力信号経路１４と検出器信号経路２２に分岐している。マッハツェンダ干渉計３０は、さらに、第１ビームスプリッタ１８の下流に第２ビームスプリッタ３２を備え、第２ビームスプリッタ３２は、出力信号経路１４を再び検出器信号経路２２と干渉させる別の５０／５０ビームスプリッタであってもよい。光電子位相変調器などの第１位相変調器３４は、第１ビームスプリッタ１８と第２ビームスプリッタ３２との間の検出器信号経路２２に位置してもよい。第１位相変調器３４は、スイッチ信号に応答して、検出器信号経路２２の光信号の位相を変調してもよく、それによって、検出器信号経路２２および／または出力信号経路１４の光信号強度を変更してもよい。この機構により、第１位相変調器３４は、マッハツェンダ干渉計３０を送信構成と受信構成に有効に切り替え得る。

【0079】

光電子位相変調器３４は、数ナノ秒（ｎｓ）のオーダ、例えば０．５ｎｓまたは０．１ｎｓの非常に短い切替時間を可能にするという利点を有する。これらの切替時間は、典型的には０．１ｍｓ～３０ｍｓの範囲内の市販の微小電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）の切替時間、または約１ｍｓの典型的な切替時間を有する光学機械スイッチ素子の切替時間に匹敵することが好ましい。

【0080】

光電子位相変調器３４を備えるマッハツェンダ干渉計３０は、複数のさらなる利点を有し、それにより、量子鍵配送ネットワークでの使用に特に適している。送信モードでは、これは信号損失が比較的小さい（約１０％以下）ことを特徴としており、受信モードでは、出力信号経路１４をさらに下る送信を完全に遮断することができる。

【0081】

図１にさらに示すように、検出器信号経路２２は、第２ビームスプリッタ３２の下流に光アイソレータ素子３６を含んでもよい。光アイソレータ素子３６は、光ダイオードまたは（矢印で示すような）一方向素子として働いてもよく、光検出器装置２６からの光信号が出力信号経路１４に到達しないようにしてもよい。

【0082】

位相変調器３４を１つだけ備えるマッハツェンダ干渉計３０の最適なパラメータを算出する。マッハツェンダ干渉計３０の受動動作モードは、位相変調器３４によって与えられた位相φ、例えば、受信についてはφ＝π、送信についてはφ＝０に依存する。一般に、マッハツェンダ干渉計３０と相互作用する光状態を二次元ベクトルとして表すことができ、入力状態は、１つのポートに真空０と、入力信号経路１２に対応する別のポートに複素振幅αを有する入力信号とを有する。ＭＺ型スイッチが入力状態（０，α）^Ｔに与える変換は、

【数1】

と表すことができ、ここで、

【数2】

は、第１ビームスプリッタ１８および第２ビームスプリッタ３２それぞれに対応する変換であり、それらのビームスプリッタは、それぞれの送信確率Ｔ_１（２）を特徴とし、

【数3】

は、損失係数γを有する位相変調器の位相シフトφに対応する変換である。振幅αを有する任意の入って来る信号については、以下の２つの条件が満たされるべきである。

【0083】

【数4】

【数5】

【0084】

ここで、α′およびα″は、それぞれ検出器信号経路２２および出力信号経路１４から出て来る光の複素振幅である。これらの式を書き換えると、

【数6】

【数7】

が得られる。したがって、

【数8】

および

【数9】

が得られる。

【0085】

パルスの送信にも、同じ構成が使用されてもよい。送信モードにおいて、入力状態を（β，０）^Ｔとして表すことができ、出力は、

【数10】

であり、ここで、β′は、検出器信号経路２２を伝播して、光子検出器装置２６に到達する任意の成分を示し、振幅β″を有するパルスは、出力信号経路１４を下って行き、ひいては、信号を構成する。同じ式から、

【数11】

が得られる。したがって、０でないγによって、可能な信号強度Ｉが

【数12】

のように制限され、ここで、Ｉ_０は、変調された入力光の強度によって決まる。

【0086】

光ファイバ内の信号の質は、偏光および位相の変動によって低下し得る。ＭＺスイッチの適切な動作のために、これらの変動は、連続的な信号チューニングによって補償されてもよい。入力信号は、例えば高速３パドル偏光コントローラでチューニングすることができる。そのようなチューニングは、高強度テストパルスで行われるＱＫＤプロトコルの回線制御サブルーチン中に行うことができる。有効性を高めるために、スイッチそれ自体は、通常のシングルモードファイバの代わりに偏光保持ファイバに組み付けられてもよい。ＭＺスイッチ自体の位相差変動は、情報送信用の動作周波数よりはるかに低い周波数で位相変調器３４によって制御することができる。

【0087】

図２を参照して上述したマッハツェンダ・アーキテクチャは、第１位相変調器３４によって量子鍵配送装置１０、１０′の動作モードを受信モードと送信モードに切り替えることを可能にし、そのため、信号を受信することが主な役割である量子鍵配送装置１０、１０′を動作させるのに完全に十分であり、必ずしも信号を量子鍵配送ネットワークへ送る必要はない。しかしながら、構成によっては、さらに特に光信号を量子鍵配送ネットワークへ送り、ひいては、量子鍵配送ネットワーク内で受信器・送信器複合装置として働き得るマッハツェンダ・アーキテクチャを提供することが有利な場合がある。

【0088】

量子鍵配送ネットワークは、主にまたは専ら受信器装置として動作する１以上の量子鍵配送装置と、受信器・送信器複合装置として働く１以上の量子鍵配送装置とを含んでもよい。

【0089】

構成によっては、量子鍵配送ネットワーク内の中央制御ノードまたは管理ノード（図示せず）は、量子鍵配送ネットワーク内の異なる量子鍵配送装置の機能を指定してもよい。特に、中央制御ノードまたは管理ノードは、ネットワーク内の複数の異なる量子鍵配送装置に接続されてもよく、また、複数の異なる量子鍵配送装置が選択的に受信器装置または受信器・送信器複合装置として働くように複数の異なる量子鍵配送装置の動作設定を設定してもよい。

【0090】

図３は、図２を参照して上述した量子鍵配送装置１０′に概ね対応する別の量子鍵配送装置１０″の概略図であり、対応する要素は、同じ参照番号を共有する。しかしながら、量子鍵配送装置１０″は、さらに、第１ビームスプリッタ１８と第２ビームスプリッタ３２との間の出力信号経路１４に第２位相変調器３８を備える。第２位相変調器３８は、意匠および機能において、図２を参照して上述した第１位相変調器３４に概ね対応してもよい。第１位相変調器３４および第２位相変調器３８は、併用される場合、最小信号強度を制限することなく、出力信号経路１４および検出器信号経路２２の信号強度を任意の信号レベルに調整してもよい。

【0091】

図３にさらに示すように、量子鍵配送装置１０″は、さらに、第１位相変調器３４および／または第２位相変調器３８に動作可能に結合されている、量子乱数生成器４０などの乱数生成器を備える。図２の構成と比較すると、図３に示すアーキテクチャでは、光信号を生成したり、その光信号を出力信号経路１４に供給したりする自由度が高いが、これは、信号損失が高まることを犠牲にして成り立ち得る。

【0092】

図１～図３を参照して上で示した量子鍵配送装置１０、１０′、１０″は、送信器装置（図示せず）から入力信号経路１２上で受信された複数の光信号が、実質的に歪まずに出力信号経路１４へ送信される送信モードと、入力信号経路１２上で受信された複数の光信号が検出器信号経路２２へ方向転換され、光子検出器装置２６によって検出される受信モードに、高速かつ高い信頼性で選択的に切り替えることを可能にする。受信モードでは、量子鍵配送装置１０、１０′、１０″は、検出された複数の光入力信号に基づいて、送信器装置との間に共有量子暗号化鍵を確立することを可能にする。このために、それぞれの量子鍵配送装置１０、１０′、１０″は、さらに、情報整合およびプライバシー増幅を行う通信を提供するために古典情報チャネルを介して送信器装置に接続されてもよい。

【0093】

光子検出器装置２６は、受信された光信号の強度測定を行ってもよいが、他の例において、ホモダイン検波または位相暗号化が同様に利用されてもよい。一般に、本開示において、任意の量子鍵配送プロトコルを利用して、送信器装置とそれぞれの量子鍵配送装置１０、１０′、１０″との間に暗号化鍵を確立することができる。特に、プロトコルは、非特許文献１に記載されているような伝送線に沿った物理的な損失制御を考慮してもよく、これにより、何千キロメートルという範囲の非常に大きい距離であっても特に高い鍵生成レートが有利にもたらされ得る。

【0094】

図４は、実施の形態に係る量子鍵配送方法を示すフロー図である。

【0095】

第１ステップＳ１０では、複数の光入力信号が送信器装置から受信される。

【0096】

第２ステップＳ１２では、受信された複数の光入力信号は、マッハツェンダ干渉計を介して送信され、出力信号経路、または光子検出器装置を含む検出器信号経路のどちらかへ選択的に送られる。

【0097】

受信された複数の光入力信号が検出器信号経路へ送信される場合、送信器装置からの複数の光入力信号は、第３ステップＳ１４において、光子検出器装置によって検出器信号経路で検出される。

【0098】

第４ステップＳ１６では、検出された複数の光入力信号に基づいて、送信器装置との間に共有量子暗号化鍵が確立される。

【0099】

本開示の技術について、単一の量子鍵配送装置１０、１０′、１０″に関する図１～図４を参照して上述してきた。しかしながら、本開示の技術における特有の利点は、個々のビルディングブロックからより大きい量子鍵配送ネットワークを構築するために当該技術を有利に利用し得、それにより、ａｎｙ－ｔｏ－ａｎｙ通信によって、量子鍵配送ネットワーク内の任意の２つの当該ビルディングブロック間に共有暗号化鍵を確立でき得ることである。

【0100】

図５は、本開示の技術が利用され得る量子鍵配送ネットワーク４２の概略図である。

【0101】

図５の量子鍵配送ネットワーク４２は、複数の量子鍵配送装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃを含み、量子鍵配送装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々は、図１～図４を参照して上述した構成のうちの１つに対応してもよい。したがって、対応する参照番号は、対応する要素を示すために用いられている。特に、参照番号１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、それぞれの入力信号経路を示し、参照番号１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、量子鍵配送装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃのそれぞれの出力信号経路を示す。

【0102】

図５から分かるように、量子鍵配送ネットワーク４２内において、第１量子鍵配送装置１０ａの出力信号経路１４ａは、第２量子鍵配送装置１０ｂの入力信号経路１２ｂに接続されるか、またはそれと一致する。同様に、第２量子鍵配送装置１０ｂの出力信号経路１４ｂは、第３量子鍵配送装置１０ｃの入力信号経路１２ｃに接続されるか、またはそれと一致する。

【0103】

例えば、図５に示す量子鍵配送ネットワーク４２の動作モードにおいて、第１量子鍵配送装置１０ａは、送信器装置として働いてもよく、光信号を出力信号経路１４ａへ発信してもよい。第２量子鍵配送装置１０ｂとの間にセキュアな暗号化鍵が確立される場合、第２量子鍵配送装置１０ｂは、図１～図４を参照して上述したように、第２量子鍵配送装置１０ｂの位相変調器の対応する設定をトリガするスイッチ信号などによって、受信モードで動作するように指示されてもよい。第２量子鍵配送装置１０ｂは、スイッチ信号を、第２量子鍵配送装置１０ｂのユーザ、または量子鍵配送ネットワーク４２内の中央制御ノードもしくは管理ノード（図示せず）から受信してもよい。

【0104】

第２量子鍵配送装置１０ｂの受信モードでは、入力信号経路１２ｂ上で受信されたすべての光信号が第２量子鍵配送装置１０ｂの検出器信号経路に到達し、そのため、第３量子鍵配送装置１０ｃは、確立された鍵に関して何も学習しない。

【0105】

あるいは、セキュアな暗号化鍵が第１量子鍵配送装置１０ａと第３量子鍵配送装置１０ｃとの間に確立される場合、第２量子鍵配送装置１０ｂは、位相変調器３４の動作位相を変更することなどにより送信モードで動作するようスイッチ信号によってトリガされてもよい。この構成では、第２量子鍵配送装置１０ｂは、第１量子鍵配送装置１０ａから受信された光信号を、第２入力信号経路１２ｂにおいて、受信モードで動作する第３量子鍵配送装置１０ｃに向かって（実質的に）歪まずに第２出力信号経路１４ｂへ送信してもよい。この構成では、第２量子鍵配送装置１０ｂは、中間ノードまたは無害なバイスタンダとして働き、第１量子鍵配送装置１０ａと第３量子鍵配送装置１０ｃとの間に確立された暗号化鍵に関して何も学習しない。万一、第２量子鍵配送装置１０ｂが通信を盗聴する場合、量子鍵配送プロトコルによって、これを第１量子鍵配送装置１０ａおよび第３量子鍵配送装置１０ｃにおいて検出することができるであろう。

【0106】

図５は、３つの量子鍵配送装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃが直列に接続された構成を示すが、これは、説明を簡単にするためだけのものであり、一般に、量子鍵配送ネットワークは、任意の整数個の量子鍵配送装置を利用してもよく、それらの量子鍵配送装置は、異なるトポロジーで接続されてもよい。実施の形態によっては、ネットワーク内の量子鍵配送装置を接続する信号線には、伝送距離を延ばし、かつ／または量子鍵生成レートを高めるために、量子中継器として働く光増幅器のカスケードが装備されてもよい。さらに、ネットワーク内の量子鍵配送装置はすべて、プライバシー増幅および情報整合を容易にするなどのために、古典認証ネットワークによって接続されてもよい。

【0107】

量子鍵配送ネットワーク内に順次配置することができるＭＺ型スイッチを有するユーザの数（Ｎ）を推定する。第１ユーザおよび最後のユーザは、依然として通信することができる。非特許文献１の分析では、ユーザが２人だけの場合、ＱＫＤプロトコルが伝送距離Ｄ＝４０，０００ｋｍで動作できることが示されている。しかしながら、さらにユーザをネットワークに加えると、それらのスイッチによる損失のために信号が減衰する。したがって、最大伝送距離が低下する。可能なユーザ数を推定するために、２人の隣人間の距離は、ａ＝１ｋｍと考える。１つのスイッチの送信確率がＴ_ｓ＝０．８である場合（図２の構成など、１つの位相変調器を有するＭＺスイッチの場合に現実的）、事実上、隣人間の距離は

【数13】

であり、ここで、

【数14】

は、ファイバ内の自然散乱損失を表す係数である（距離ｘと共に減少する信号強度は、

【数15】

である）。Ｎを推定するために、総有効回線長は、最大伝送距離Ｄと等しいとみなす。

【0108】

【数16】

【0109】

この数を代入すると、Ｎ≒１０，０００となることが分かる。図５の線形のものよりも高性能のネットワーク構造を用いると、この数はさらに増加し得る。

【0110】

図６は、機能および意匠において、図５を参照して上述した量子鍵配送ネットワーク４２に概ね対応する量子鍵配送ネットワーク４２′を概略的に示し、対応する構成要素は、同じ参照番号を共有する。しかしながら、図６の構成では、量子鍵配送装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、リングトポロジーで配置され、そのため、最後の（この場合、第３）量子鍵配送装置１０ｃの出力信号経路１４ｃは、第１量子鍵配送装置１０ａの入力信号経路１２ａに一致するか、またはそれに接続される。図６にさらに示すように、光スイッチ４４によって異なるリングが相互接続されてもよい。これにより、量子鍵配送ネットワーク４２′の範囲をさらに拡大することができる。

【0111】

図１～図５を参照して上述した技術に基づいて、送信ノードと受信ノードとの間のリングセクタの長さが、ＱＫＤプロトコルの伝送距離の制限を超えない限り、量子鍵配送ネットワーク４２′内の任意の２つの量子鍵配送装置間で量子暗号化鍵が交換され得る。（ある程度まで避けられない）強度損失は、量子中継器として働く光増幅器（図示せず）のカスケードで補償されてもよい。リング構造は、構成が比較的単純であるが、そのようなクラスタ内の平均通信は、多数のユーザを含み、比較的大きい伝送距離を特徴とする。これにより、通信回線による予期せぬ損失のリスクが高まる可能性がある。

【0112】

量子鍵配送ネットワーク４２、４２′内における異なるペアの量子鍵配送装置間の量子鍵配送には、中央制御ノードまたは管理ノードの形態などの何らかの論理的組織が必要な場合がある。しかしながら、そのプロトコル内では、量子鍵生成を完全に分散化させることができる。意図した送信器および受信器が自力で送信を制御できることから、それらは量子鍵生成に第三者のいずれの助けも必要とせず、これは、信頼できる仲介者に依存する量子鍵配送ネットワークに対する利点である。

【0113】

ここで図７の量子鍵配送ネットワーク４２′を参照してより詳細に説明するように、可能な動作プロトコルは、先入れ先出し（ＦＩＦＯ）方式に基づいてもよく、図７は、６つの量子鍵配送装置１０ａ～１０ｆを有する別のリングトポロジーを示す。量子暗号化鍵は、（図７において矢印で示すように）一方では量子鍵配送装置１０ａと１０ｃとの間に、他方では量子鍵配送装置１０ｄと１０ｅとの間に確立されると仮定する。それぞれの通信経路は重ならず、そのため、量子鍵生成は、干渉することなく同時並行で進み得る。しかしながら、量子暗号化鍵が、一方では量子鍵配送装置１０ａと１０ｃとの間に、他方では量子鍵配送装置１０ｆと１０ｂとの間に確立される場合、それぞれの信号経路は重なり、妨害を避けるために時間多重化技術が利用されてもよい。

【0114】

図８ａは、二次元格子トポロジーを有する量子鍵配送ネットワーク４２″を示し、格子ノード４６ａ～４６ｐの各々は、図１～図７を参照して上述した量子鍵配送装置１０、１０′、１０″のうちのいずれかなどの少なくとも１つの量子鍵配送装置を含んでもよい。図８ａは、１６個の格子ノード４６ａ～４６ｐを有する格子を示すが、一般には、量子鍵配送ネットワーク４２″は、任意の数の格子ノードを含んでもよい。

【0115】

図６および図７のリングトポロジーと比較して、二次元格子トポロジーを有する量子鍵配送ネットワーク４２″は、任意の２つの量子鍵配送装置間の信号リンクがより多いことを特徴とし、さらに、異なる量子鍵配送装置間の代替経路を確立することを可能にし得る。これにより、平均伝送距離が小さくなり、同時に量子鍵配送ネットワーク４２″の信頼性および回復力が高まる。この場合も、格子ノード４６ａ～４６ｐのうちのいずれかの間の信号経路が重なっている場合には、時間多重化技術が利用されてもよい。

【0116】

図８ｂは、図８ａを参照して上述してきた量子鍵配送ネットワーク４２″の格子ノード４６ｇなどの、格子トポロジーを有する量子鍵配送ネットワークの格子ノードの概略図である。

【0117】

図８ｂに示す例では、格子ノード４６ｇは、リングトポロジーで配置された４つの量子鍵配送装置１０ａ～１０ｄを含み、量子鍵配送装置１０ａ～１０ｄのうちのいずれかが、図１～図５を参照して上述した量子鍵配送装置１０、１０′、１０″のうちの１つに対応し得る。この構成では、高い自由度および冗長性を実現することができ、量子鍵配送用の光信号は、隣接するノードのうちのいずれとも、場合によってはいずれの方向にも、交換され得る。

【0118】

鍵生成の地理的範囲をさらに拡大するために、いくつかの量子鍵配送ネットワークを組み合わせて、より大きいクラスタネットワークにしてもよい。図９は、複数のクラスタ５０ａ～５０ｆを有するクラスタネットワーク４８を示し、クラスタ５０ａ～５０ｆの各々は、図６～図８ｂを参照して上述した量子鍵配送ネットワーク４２、４２′、４２″のうちの１以上を含んでもよい。異なるクラスタ５０ａ～５０ｆは、光ハイウェイ線５２ａ～５２ｈによって接続されてもよく、光ハイウェイ線５２ａ～５２ｈは、ノードを含まないか、または数個しか含まない光ファイバリンクであってもよく、依然として高い信号レートを提供しつつ、最大５，０００ｋｍ以上の距離に及んでもよい。場合によっては、クラスタ５０ａ～５０ｆのほぼ任意の２つが直接接続されてもよく、その場合、光ハイウェイ線５２ａ～５２ｈの数は、クラスタ５０ａ～５０ｆの数に対して二次関数的に増加する。

【0119】

図１０に概略的に示すように、これらの技術を利用して、地球全体に及ぶ量子鍵配送ネットワーク５４を構築してもよい。

【0120】

本開示に係る量子鍵配送ネットワーク内で得られ得る量子鍵レートは、非特許文献１の技術を利用することによって推定されてもよい。図１１は、信号経路における量子中継器間の距離ｄの異なる値（下から上へｄ＝５０ｋｍ、ｄ＝４０ｋｍ、ｄ＝２０ｋｍ、ｄ＝１０ｋｍ）について、４０，０００ｋｍのグローバル通信距離にわたる鍵生成レートＬ_ｆ／Ｌを、伝送経路に沿った信号漏洩ｒ_Ｅの関数として示す。特に、設置される増幅器が多いほど、得られ得る鍵生成レートは高い。図１１は、１０^－５以上の実際に関連する範囲における漏洩値ｒ_Ｅに対して、依然として高い量子鍵生成レートを実現できることを示す。

【0121】

特定の実施の形態の説明および図面は、単に本開示の技術を説明するためだけものであり、いかなる限定も意味しないことが理解されるべきである。本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲から決定される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8a】

【図8b】

【図9】

【図10】

【図11】

【外国語明細書】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８ａ】

【図８ｂ】

【図９】

【図１０】

【図１１】