(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】P2024153719
(43)【公開日】2024-10-29
(54)【発明の名称】量子ネットワーク及び量子認証サーバ
(51)【国際特許分類】
H04L 9/12 20060101AFI20241022BHJP
H04L 9/16 20060101ALI20241022BHJP
【ＦＩ】
H04L9/12
H04L9/16
【審査請求】有
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024116983
(22)【出願日】2024-07-22
(62)【分割の表示】P 2022136134の分割
【原出願日】2022-08-29
(31)【優先権主張番号】2202649.6
(32)【優先日】2022-02-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(74)【代理人】
【識別番号】110003708
【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
(72)【発明者】
【氏名】ロバート イアン ウッドワード
(72)【発明者】
【氏名】ベンジャミン マーシュ
(72)【発明者】
【氏名】ジェームス エフ ダインズ
(72)【発明者】
【氏名】ジリアン ユアン
(72)【発明者】
【氏名】アンドリュー ジェームス シールズ
(57)【要約】 （修正有）
【課題】第１のユーザノード及び第２のユーザノードが、量子鍵配送（ＱＫＤ）を使用して事前共有鍵（ＰＳＫ）を共有できるようにする量子ネットワーク及び量子認証サーバ（ＱＡＳ）を提供する。
【解決手段】ＱＡＳ３２１は、認証ユニット／エージェント３３０と、ＱＫＤハードウェア３２３と、鍵管理システム３２５と、鍵消費データ暗号化器３３１と、を備え、認証ユニット／エージェントは、第１のユーザノードとサーバとの間の第１のチャネルの認証を求める要求を受信し、ＱＫＤハードウェアは、量子鍵を第１のユーザノードとサーバとの間で配送し、鍵管理システムは、第１のユーザノードが第２のユーザノードと認証するための第１のＰＳＫを第１のユーザノードに提供し、鍵消費データ暗号化器は、第１のユーザノードに送るための第１のＰＳＫを量子鍵で暗号化する。
【選択図】図３Ｂ
【解決手段】ＱＡＳ３２１は、認証ユニット／エージェント３３０と、ＱＫＤハードウェア３２３と、鍵管理システム３２５と、鍵消費データ暗号化器３３１と、を備え、認証ユニット／エージェントは、第１のユーザノードとサーバとの間の第１のチャネルの認証を求める要求を受信し、ＱＫＤハードウェアは、量子鍵を第１のユーザノードとサーバとの間で配送し、鍵管理システムは、第１のユーザノードが第２のユーザノードと認証するための第１のＰＳＫを第１のユーザノードに提供し、鍵消費データ暗号化器は、第１のユーザノードに送るための第１のＰＳＫを量子鍵で暗号化する。
【選択図】図３Ｂ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１のユーザノードと、第２のユーザノードと、サーバと、を備えるシステムであって、
前記サーバは、ネットワークインターフェースと、認証ユニットと、暗号化ユニットと、第１のユーザノードと共有する第１の事前共有鍵（ＰＳＫ）を含む鍵管理システムと、量子鍵配送ユニットとを備え、
前記認証ユニットは、前記ネットワークインターフェースを介して、前記第１のＰＳＫを使用して第１のユーザノードと前記サーバとの間の第１のチャネルの認証を求める要求を前記第１のユーザノードから受信するように構成され、
前記量子鍵配送ユニットは、量子鍵が前記第１のユーザノードと前記サーバとの間で配送されることを可能にするように構成され、前記量子鍵は、前記認証された第１のチャネルを通した通信を使用して、復号するために測定基底が変更され、前記第１のユーザノード及び前記サーバ用の第１の量子鍵が確立され、前記第１のＰＳＫを破棄し、
前記第１のユーザノードは、前記第２のユーザノードと通信することを要求するメッセージを前記第１の量子鍵で暗号化して前記サーバに送信し、
前記サーバは、前記メッセージを受信し、前記メッセージに基づいて前記第１のユーザノードと前記第２のユーザノードとの通信が許容されるかどうかを確認し、
前記鍵管理システムは、前記通信が許容される場合には前記第１のユーザノードが前記第２のユーザノードと認証することを可能にするため、第１のユーザノード及び第２のユーザノードで共有されるべき新たなＰＳＫを生成し、前記新たなＰＳＫを前記第１のユーザノードに提供するように構成され、
前記暗号化ユニットは、前記ネットワークインターフェースを介して前記第１のユーザノードに送る前記新たなＰＳＫを前記第１の量子鍵で暗号化するように構成され、
前記サーバは、前記第１の量子鍵で暗号化された前記新たなＰＳＫを第１のユーザノードに送信し、
前記鍵管理システムが第２のユーザノードと共有する第２のＰＳＫをさらに含み、
前記認証ユニットは、前記ネットワークインターフェースを介して、前記第２のＰＳＫを使用して前記第２のユーザノードと前記サーバとの間の第２のチャネルの認証を求める要求を前記第２のユーザノードへ送るように構成され、
前記量子鍵配送ユニットは、量子鍵が前記第２のユーザノードと前記サーバとの間で配送されることを可能にするように構成され、前記量子鍵は、前記認証された第２のチャネルを通した通信を使用して、復号するために測定基底が変更され、前記第２のユーザノード及び前記サーバ用の第２の量子鍵が確立され、前記第２のＰＳＫを破棄し、
前記暗号化ユニットは、前記ネットワークインターフェースを介して前記第２のユーザノードに送る前記新たなＰＳＫを前記第２の量子鍵で暗号化するように構成され、
前記サーバは、前記第２の量子鍵で暗号化された前記新たなＰＳＫを第２のユーザノードに送信し、
前記第１のユーザノードは、前記新たなＰＳＫを使用して前記第２のユーザノードとの間で認証し、前記第１のユーザノード及び前記第２のユーザノード用の第３の量子鍵が確立され、前記新たなＰＳＫを破棄し、通信するメッセージを第３の量子鍵で暗号化することにより、前記第２のユーザノードと通信する、システム。
前記サーバは、ネットワークインターフェースと、認証ユニットと、暗号化ユニットと、第１のユーザノードと共有する第１の事前共有鍵（ＰＳＫ）を含む鍵管理システムと、量子鍵配送ユニットとを備え、
前記認証ユニットは、前記ネットワークインターフェースを介して、前記第１のＰＳＫを使用して第１のユーザノードと前記サーバとの間の第１のチャネルの認証を求める要求を前記第１のユーザノードから受信するように構成され、
前記量子鍵配送ユニットは、量子鍵が前記第１のユーザノードと前記サーバとの間で配送されることを可能にするように構成され、前記量子鍵は、前記認証された第１のチャネルを通した通信を使用して、復号するために測定基底が変更され、前記第１のユーザノード及び前記サーバ用の第１の量子鍵が確立され、前記第１のＰＳＫを破棄し、
前記第１のユーザノードは、前記第２のユーザノードと通信することを要求するメッセージを前記第１の量子鍵で暗号化して前記サーバに送信し、
前記サーバは、前記メッセージを受信し、前記メッセージに基づいて前記第１のユーザノードと前記第２のユーザノードとの通信が許容されるかどうかを確認し、
前記鍵管理システムは、前記通信が許容される場合には前記第１のユーザノードが前記第２のユーザノードと認証することを可能にするため、第１のユーザノード及び第２のユーザノードで共有されるべき新たなＰＳＫを生成し、前記新たなＰＳＫを前記第１のユーザノードに提供するように構成され、
前記暗号化ユニットは、前記ネットワークインターフェースを介して前記第１のユーザノードに送る前記新たなＰＳＫを前記第１の量子鍵で暗号化するように構成され、
前記サーバは、前記第１の量子鍵で暗号化された前記新たなＰＳＫを第１のユーザノードに送信し、
前記鍵管理システムが第２のユーザノードと共有する第２のＰＳＫをさらに含み、
前記認証ユニットは、前記ネットワークインターフェースを介して、前記第２のＰＳＫを使用して前記第２のユーザノードと前記サーバとの間の第２のチャネルの認証を求める要求を前記第２のユーザノードへ送るように構成され、
前記量子鍵配送ユニットは、量子鍵が前記第２のユーザノードと前記サーバとの間で配送されることを可能にするように構成され、前記量子鍵は、前記認証された第２のチャネルを通した通信を使用して、復号するために測定基底が変更され、前記第２のユーザノード及び前記サーバ用の第２の量子鍵が確立され、前記第２のＰＳＫを破棄し、
前記暗号化ユニットは、前記ネットワークインターフェースを介して前記第２のユーザノードに送る前記新たなＰＳＫを前記第２の量子鍵で暗号化するように構成され、
前記サーバは、前記第２の量子鍵で暗号化された前記新たなＰＳＫを第２のユーザノードに送信し、
前記第１のユーザノードは、前記新たなＰＳＫを使用して前記第２のユーザノードとの間で認証し、前記第１のユーザノード及び前記第２のユーザノード用の第３の量子鍵が確立され、前記新たなＰＳＫを破棄し、通信するメッセージを第３の量子鍵で暗号化することにより、前記第２のユーザノードと通信する、システム。
【請求項2】
前記第１の量子鍵は、第１の長さを有し、前記量子鍵配送ユニットは、前記第１の長さよりも長い鍵を配送するように構成され、前記鍵の残りは、前記サーバと前記第１のユーザノードとの間の更なる認証用の少なくとも１つのＰＳＫとして保存される、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記新たなＰＳＫは、前記第２のユーザノードと事前共有されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項4】
アクセス制御ユニットを更に備え、前記アクセス制御ユニットは、２つのユーザノードがＰＳＫを共有することを許容されているかどうかを示す情報を記憶するように構成され、前記サーバは、前記アクセス制御ユニット中に記憶された前記情報を参照することによって、共有鍵を取得することを求めるユーザノードからの要求を受け入れるか又は断るように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項5】
前記サーバは、共有鍵を取得することを求めるユーザノードからの要求を受け入れるか又は断るかを決定するために更なるサーバに接触するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項6】
前記サーバは、量子鍵長、ＰＳＫ鍵長、及び前記ＰＳＫと共に送られることになる情報のうちの少なくとも１つを制御するための情報を提供するように構成されたポリシーユニットを更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項7】
前記量子鍵配送ユニットは、
符号化器と、前記符号化器は、光上に情報を符号化するように構成され、前記情報は、前記ユーザノードに送るための１つの状態を複数の状態からランダムに選択することによって符号化され、前記光は、平均で１つ未満の光子を包含するパルスで前記サーバから離れる、
復号器と、前記復号器は、平均で１つ未満の光子を包含する光パルスを受信し、前記光パルスを測定することによって前記光パルスから情報を復号するように構成され、前記測定のための測定基底は、前記情報を符号化するために使用される前記状態の測定を可能にするために、測定基底のセットからランダムに選択される、
のうちの少なくとも１つを備え、前記量子鍵配送ユニットは、前記サーバが、符号化又は復号のために使用する測定基底を復号又は符号化のために前記ユーザノードによって使用される測定基底と比較することを可能にするように構成されたシフティングユニットを更に備え、前記量子鍵配送ユニットは、前記符号化の測定基底と前記復号の測定基底とが一致しない場合にパルスから前記情報を破棄するように構成される、請求項１に記載のシステム。
符号化器と、前記符号化器は、光上に情報を符号化するように構成され、前記情報は、前記ユーザノードに送るための１つの状態を複数の状態からランダムに選択することによって符号化され、前記光は、平均で１つ未満の光子を包含するパルスで前記サーバから離れる、
復号器と、前記復号器は、平均で１つ未満の光子を包含する光パルスを受信し、前記光パルスを測定することによって前記光パルスから情報を復号するように構成され、前記測定のための測定基底は、前記情報を符号化するために使用される前記状態の測定を可能にするために、測定基底のセットからランダムに選択される、
のうちの少なくとも１つを備え、前記量子鍵配送ユニットは、前記サーバが、符号化又は復号のために使用する測定基底を復号又は符号化のために前記ユーザノードによって使用される測定基底と比較することを可能にするように構成されたシフティングユニットを更に備え、前記量子鍵配送ユニットは、前記符号化の測定基底と前記復号の測定基底とが一致しない場合にパルスから前記情報を破棄するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項8】
第１のサーバ、複数のユーザノード、及び少なくとも１つのスイッチを備えるネットワークであって、前記少なくとも１つのスイッチは、前記ユーザノードのうちの任意の２つの間、及び前記ユーザノードのうちの任意のものと前記サーバとの間の選択的接続を可能にするように構成され、前記ユーザノードの各々は、量子鍵配送ユニット、ネットワークインターフェース、及び認証ユニットを備え、前記第１のサーバは、請求項１に記載のシステムに含まれるサーバであり、前記複数のユーザノードは、請求項１に記載のシステムに含まれるユーザノードである、ネットワーク。
【請求項9】
少なくとも１つの更なるサーバを更に備え、前記少なくとも１つの更なるサーバもまた、請求項１に記載のシステムに含まれるサーバであり、前記第１のサーバは、前記第１のサーバが満たすことができない共有ＰＳＫを求める要求をユーザノードから受信すると、前記更なるサーバにクエリを送るように構成される、請求項８に記載のネットワーク。
【請求項10】
請求項１に記載のシステムに含まれる、複数の更なるサーバを更に備え、前記第１のサーバ及び前記複数の更なるサーバは、階層に配置され、前記第１のサーバは、前記第１のサーバが満たすことができない共有ＰＳＫを求める要求をユーザノードから受信すると、前記階層においてその上の別のサーバにクエリを送るように構成される、請求項８に記載のネットワーク。
【請求項11】
２つのサーバを備え、前記第１のユーザノードは、ＰＳＫが第２のユーザノードと認証することを求める要求に応答して、前記２つのサーバからＰＳＫを受信することを備え、前記第１のユーザノードは、前記２つのサーバから生成された２つのＰＳＫが組み合わされたＰＳＫを形成し、前記第２のユーザノードもまた、前記第１のユーザノード及び前記第２のユーザノードが認証することを可能にするための前記組み合わされたＰＳＫを導出する、請求項８に記載のネットワーク。
【請求項12】
前記少なくとも１つのスイッチは、サーバ又はユーザノードのうちの少なくとも１つ内に位置付けられる、請求項８に記載のネットワーク。
【請求項13】
前記ユーザノードは、ファイルサーバ又は量子コンピュータから選択された少なくとも１つを備える、請求項８に記載のネットワーク。
【請求項14】
前記ネットワークは、複数のサブネットワークを備え、前記複数のサブネットワークは、通信チャネルによってリンクされる、請求項８に記載のネットワーク。
【請求項15】
ネットワーク中の第１のノードと第２のノードとの間で事前共有鍵（ＰＳＫ）を共有する方法であって、前記方法は、
第１のノードと共有する第１のＰＳＫをサーバが記憶し、
前記第１のＰＳＫを使用して前記第１のノードと前記サーバとの間の第１のチャネルを認証することと、
前記サーバと前記第１のノードとの間で量子鍵配送（ＱＫＤ）を実行し、前記認証された第１のチャネルを通した通信を使用して、復号するために測定基底が変更され、前記第１のノード及び前記サーバ用の第１の量子鍵を確立して、前記第１のＰＳＫを破棄することと、
前記第１のノードは、前記第２のノードと通信することを要求するメッセージを前記第１の量子鍵で暗号化して前記サーバに送信することと、
前記サーバは、前記メッセージを受信し、前記メッセージに基づいて前記第１のノードと前記第２のノードとの通信が許容されるかどうかを確認することと、
前記通信が許容される場合には前記第１のノードと前記第２のノードとの間で認証することを可能にするため、第１のノード及び第２のノードで共有されるべき新たなＰＳＫを前記サーバにおいて生成し、前記サーバが前記新たなＰＳＫを前記第１のノードに提供し、前記第１のノードに送る前記新たなＰＳＫを前記第１の量子鍵により前記サーバにおいて新たなＰＳＫを暗号化することと、
前記サーバは、前記第１のノードに前記暗号化されたＰＳＫを送ることと、
前記サーバが第２のノードと共有する第２のＰＳＫをさらに含むことと、
前記サーバは、前記第２のＰＳＫを使用して前記第２のノードと前記サーバとの間の第２のチャネルの認証を求める要求を前記第２のノードへ送ることと、
前記サーバは、量子鍵が前記第２のノードと前記サーバとの間で配送されることを可能にし、前記量子鍵は、前記認証された第２のチャネルを通した通信を使用して、復号するために測定基底が変更され、前記第２のノード及び前記サーバ用の第２の量子鍵が確立され、前記第２のＰＳＫを破棄することと、
前記サーバは、前記第２のノードに送る前記新たなＰＳＫを前記第２の量子鍵で暗号化することと、
前記サーバは、前記第２の量子鍵で暗号化された前記新たなＰＳＫを第２のノードに送信することと、
前記第１のノードは、前記新たなＰＳＫを使用して前記第２のノードとの間で認証し、前記第１のノード及び前記第２のノード用の第３の量子鍵が確立され、前記新たなＰＳＫを破棄し、通信するメッセージを第３の量子鍵で暗号化することにより、前記第２のノードと通信することと、
を備える、方法。
第１のノードと共有する第１のＰＳＫをサーバが記憶し、
前記第１のＰＳＫを使用して前記第１のノードと前記サーバとの間の第１のチャネルを認証することと、
前記サーバと前記第１のノードとの間で量子鍵配送（ＱＫＤ）を実行し、前記認証された第１のチャネルを通した通信を使用して、復号するために測定基底が変更され、前記第１のノード及び前記サーバ用の第１の量子鍵を確立して、前記第１のＰＳＫを破棄することと、
前記第１のノードは、前記第２のノードと通信することを要求するメッセージを前記第１の量子鍵で暗号化して前記サーバに送信することと、
前記サーバは、前記メッセージを受信し、前記メッセージに基づいて前記第１のノードと前記第２のノードとの通信が許容されるかどうかを確認することと、
前記通信が許容される場合には前記第１のノードと前記第２のノードとの間で認証することを可能にするため、第１のノード及び第２のノードで共有されるべき新たなＰＳＫを前記サーバにおいて生成し、前記サーバが前記新たなＰＳＫを前記第１のノードに提供し、前記第１のノードに送る前記新たなＰＳＫを前記第１の量子鍵により前記サーバにおいて新たなＰＳＫを暗号化することと、
前記サーバは、前記第１のノードに前記暗号化されたＰＳＫを送ることと、
前記サーバが第２のノードと共有する第２のＰＳＫをさらに含むことと、
前記サーバは、前記第２のＰＳＫを使用して前記第２のノードと前記サーバとの間の第２のチャネルの認証を求める要求を前記第２のノードへ送ることと、
前記サーバは、量子鍵が前記第２のノードと前記サーバとの間で配送されることを可能にし、前記量子鍵は、前記認証された第２のチャネルを通した通信を使用して、復号するために測定基底が変更され、前記第２のノード及び前記サーバ用の第２の量子鍵が確立され、前記第２のＰＳＫを破棄することと、
前記サーバは、前記第２のノードに送る前記新たなＰＳＫを前記第２の量子鍵で暗号化することと、
前記サーバは、前記第２の量子鍵で暗号化された前記新たなＰＳＫを第２のノードに送信することと、
前記第１のノードは、前記新たなＰＳＫを使用して前記第２のノードとの間で認証し、前記第１のノード及び前記第２のノード用の第３の量子鍵が確立され、前記新たなＰＳＫを破棄し、通信するメッセージを第３の量子鍵で暗号化することにより、前記第２のノードと通信することと、
を備える、方法。
【請求項16】
前記新たなＰＳＫは、前記第２のノードと事前共有されている、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書に説明される実施形態は、量子ネットワーク及び量子認証サーバ（ＱＡＳ；Quantum Authentication Server）に関する。
【背景技術】
【0002】
量子鍵配送は、２つのリモートノードにおいて完全にランダムな量子鍵を生成するための技術であり、それは、セキュアな通信を保証するためにデータ暗号化に使用されることができる。ＱＫＤの基本的な動作原理は、量子状態を符号化及び測定することに依拠し、それには、認証された古典チャネルを通した２つのノード間の議論が続く。
【0003】
ここで、実施形態が、以下の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【0004】
【図1】実施形態に従ったＱＡＳの概略図である。
【図2】ＱＡＳと２つのユーザノードとの間で受け渡されるメッセージを示す概略図である。
【図3A】ユーザノードの概略図である。
【図3B】ＱＡＳの概略図である。
【図4A】ＱＫＤ送信機の概略図である。
【図4B】ＱＫＤ受信機の概略図である。
【図5A】ＰＳＫを要求するときにユーザノードによって実行されるステップを示すフローチャートである。
【図6】実施形態に従ったＱＡＳを備えるネットワークの概略図である。
【図7】実施形態に従ったＱＡＳ、量子コンピュータ、及びファイルサーバを備えるネットワークの概略図である。
【図8】実施形態に従った、各々がそれら自体のＱＡＳを有する３つのサブネットワークを備える大規模ネットワークの概略図である。
【図9】スパースネットワーク中のＱＡＳと２つのユーザノードとの間で受け渡されるメッセージを示す概略図である。
【図10】２つのユーザノード間で共有される鍵が２つのＱＡＳからのＰＳＫを備えるネットワークを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0005】
実施形態では、サーバが、第１のユーザノード及び第２のユーザノードが事前共有鍵「ＰＳＫ」を共有することを可能にするために、ＰＳＫに第１のユーザノードを提供するように構成され、サーバは、
ネットワークインターフェースと、認証ユニットと、暗号化ユニットと、鍵管理システムと、量子鍵配送ユニットとを備え、
認証ユニットは、ネットワークインターフェースを介して、第１のユーザノードとサーバとの間の第１のチャネルの認証を求める要求を受信するように構成され、
量子鍵配送ユニットは、量子鍵が第１のユーザノードとサーバとの間で配送されることを可能にするように構成され、量子鍵は、第１のユーザノード及びサーバ用の第１の量子鍵を確立するために、認証された第１のチャネルを通した通信を使用してシフトされる、 鍵管理システムは、第１のユーザノードが第２のユーザノードと認証することを可能にするための第１のＰＳＫを第１のユーザノードに提供するように構成され、
暗号化ユニットは、ネットワークインターフェースを介して第１のユーザノードに送るための第１のＰＳＫを量子鍵で暗号化するように構成される。
ネットワークインターフェースと、認証ユニットと、暗号化ユニットと、鍵管理システムと、量子鍵配送ユニットとを備え、
認証ユニットは、ネットワークインターフェースを介して、第１のユーザノードとサーバとの間の第１のチャネルの認証を求める要求を受信するように構成され、
量子鍵配送ユニットは、量子鍵が第１のユーザノードとサーバとの間で配送されることを可能にするように構成され、量子鍵は、第１のユーザノード及びサーバ用の第１の量子鍵を確立するために、認証された第１のチャネルを通した通信を使用してシフトされる、 鍵管理システムは、第１のユーザノードが第２のユーザノードと認証することを可能にするための第１のＰＳＫを第１のユーザノードに提供するように構成され、
暗号化ユニットは、ネットワークインターフェースを介して第１のユーザノードに送るための第１のＰＳＫを量子鍵で暗号化するように構成される。
【0006】
ＰＳＫ暗号化通信の場合、通信することを望む二者が両方とも、同じ私有事前共有鍵へのアクセスを有する必要があるであろう。セキュリティを保証するために、これは、ＰＳＫを使用することを望む二者間でＰＳＫをインストールするセキュアな方法が存在する必要があることを意味する。
【0007】
量子鍵配送（ＱＫＤ）は、２つのリモートノードにおいて完全にランダムな量子鍵を生成するための技術であり、それは、セキュアな通信を保証するためにデータ暗号化に使用されることができる。ＱＫＤの基本的な動作原理は、量子状態を符号化及び測定することに依拠する。これには、次いで、認証された古典チャネルを通した２つのノード間の議論が続き、それは、２つのノードが盗聴者の存在を検出することを可能にする。議論の一部は、符号化基底と復号基底とが異なる場合に２つのノードが測定値を捨てるシフティング呼ばれるプロセスである。
【0008】
ＱＫＤについての要件は、従って、２人のユーザが互いに認証することができることである。これは、彼らが、紛れもなく、受信した古典メッセージが相手によって送られ、移動中に改ざんされなかったことを実証することができることを意味する。言い換えれば、これは、中間者攻撃を回避する。認証は、公開鍵暗号（例えばＲＳＡ）を使用して行われることができるが、これは、量子コンピュータへのそのようなアプローチにおける既知の脆弱性に起因して、好ましい解決策ではない。代わりに、ＱＫＤシステムは、より一般に、事前共有対称鍵（ＰＳＫ）を使用して互いに認証する。
【0009】
ＱＫＤは、新生の技術であり、現在までのＱＫＤシステムの大部分は、単一のポイントツーポイントリンクを通して動作する。事前共有鍵材料（pre-shared key material）は、このことから、リンクをセットアップするときに製造業者によってインストールされ、これは、初期認証のために使用される（多数のアルゴリズムが、メッセージ及びユーザを認証するために事前共有鍵材料を使用するために存在する）。認証されたＱＫＤが開始されると、追加のＰＳＫ材料がユーザ間で構築され、後続の認証セッションのために記憶されることができる。
【0010】
量子ネットワークは、ＱＫＤ技術にとって必須の次のステップであり、ここで、多数のＱＫＤシステムが、幾人かのユーザ間の量子セキュア通信を許可するために相互接続されるであろう。これは、光学的に切り替えられるネットワークであり得、各ユーザは、ＱＫＤシステムを所有し、それらの間の量子リンクは、光学スイッチングによって形成される。ユーザ間のこれらの量子チャネルは、光ファイバ、又は代替として、自由空間リンクであり得、潜在的には、１０００ｋｍ離れたノード間で衛星を介しさえし得る。しかしながら、古典通信チャネルもセキュアにされることを確実にする必要がある。新しいＱＫＤユーザをネットワークにインストールするプロセスは、製造業者が他のＱＫＤノードの各々を訪れ、新しいＱＫＤシステムと共有される事前共有対称鍵をそれらに手動でインストールすることを必要とし得る。これらは、別個のＰＳＫがインストールされることを各可能なＱＫＤシステムペアリングが必要とし、Ｎ個のノードのネットワークに対してＮ（Ｎ－１）／２個のＰＳＫを必要とするので、スケーラブルではない。
【0011】
上記のサーバは、ＰＳＫがＱＫＤを使用してユーザノード中にインストールされることを可能にする量子認証サーバである。ＱＫＤを介してＰＳＫをインストールすることは、セキュリティを維持するが、ＰＳＫを物理的にインストールするためにノードを訪れることによってＰＳＫがインストールされる必要性を回避する。量子認証サーバは、信頼される場合、２つのノードにＱＫＤを介して提供されることになるＰＳＫを記憶／生成又はアクセスすることができ、それは、２つのノードが互いに認証することができるようになり、このことから、古典チャネルを通して安全に通信することを可能にする。
【0012】
一実施形態では、鍵管理システム自体は、第１のユーザノードと第２のユーザノードとの間で共有するためのＰＳＫを生成するように構成される。これは、次いで、第１のユーザノード及び第２のユーザノードに送られることができる。これは、ネットワークがスケーリングすることを可能にして、更なるユーザノードが追加されることを可能にし、追加されるノードのみが、ＱＡＳと認証することを可能にするＰＳＫをインストールしている必要がある。新しいノードがＱＡＳと認証することができると、同様にＰＳＫをＱＡＳと共有する全ての他のノードとのセキュアにされた認証チャネルを新しいノードが開放することが可能である。これは、セキュアにされた認証されたチャネルを解放することができる鍵を、ＱＡＳが任意の２つのノードと共有することができるためである。
【0013】
例えば、認証ユニットは、ネットワークインターフェースを介して、第２のユーザノードとサーバとの間の第２のチャネルの認証を求める要求を送るように構成され、
量子鍵配送ユニットは、量子鍵が第２のユーザノードとサーバとの間で配送されることを可能にするように構成され、量子鍵は、第２のユーザノード及びサーバ用の第２の量子鍵を確立するために、認証された第２のチャネルを通した通信を使用してシフトされる、 暗号化ユニットは、ネットワークインターフェースを介して第２のユーザノードに送るための第１のＰＳＫを第２の量子鍵で暗号化するように構成される。
量子鍵配送ユニットは、量子鍵が第２のユーザノードとサーバとの間で配送されることを可能にするように構成され、量子鍵は、第２のユーザノード及びサーバ用の第２の量子鍵を確立するために、認証された第２のチャネルを通した通信を使用してシフトされる、 暗号化ユニットは、ネットワークインターフェースを介して第２のユーザノードに送るための第１のＰＳＫを第２の量子鍵で暗号化するように構成される。
【0014】
このことから、ＱＡＳによって生成される鍵は、第１のユーザノードと第２のユーザノードとの間で共有されることができる。
【0015】
更なる実施形態では、第１のＰＳＫは、第１のノードに送るより前に、第２のユーザノードと事前共有されていることがある。例えば、ＱＡＳ及び第２のユーザノードが互いに接触して、第１の鍵がＱＡＳから第１のユーザノードと第２のユーザノードとの両方に送られることを可能にすることができない場合、ＱＡＳは、それが第２のノードと既に共有しているＰＳＫを第１のノードに送って、第１及び第２のノードが互いに認証することを可能にする。
【0016】
実施形態では、ＰＳＫは、認証のために使用されると破棄される。従って、実施形態では、新しいＰＳＫ又は複数の新しいＰＳＫは、ＱＫＤプロセスによって生成される。例えば、第１の量子鍵は、第１の長さを有し、量子鍵配送ユニットは、第１の長さよりも長い鍵を配送するように構成され、鍵の残りは、サーバと第１のユーザノードとの間の更なる認証用の少なくとも１つのＰＳＫとして保存される。
【0017】
実施形態では、サーバは、アクセス制御ユニットを更に備え、アクセス制御ユニットは、２つのユーザノードがＰＳＫを共有することを許容されているかどうかを示す情報を記憶するように構成され、サーバは、アクセス制御ユニット中に記憶された情報を参照することによって、共有鍵を取得することを求めるユーザノードからの要求を受け入れるか又は断るように構成される。
【0018】
いくつかの実施形態では、例えば、ノードが比較的遠いノードに接触することを望む場合、サーバは、共有鍵を取得することを求めるユーザノードからの要求を受け入れるか又は断るかを決定するために、更なるサーバに接触するように構成され得る。更なるサーバは、ノードのサブグループへのアクセスを制御するように構成され得る。
【0019】
更なる実施形態では、サーバは、量子鍵長、ＰＳＫ鍵長、及びＰＳＫと共に送られることになる情報のうちの少なくとも１つを制御するための情報を提供するように構成されたポリシーユニットを更に備える。
【0020】
実施形態では、量子鍵配送ユニットは、
符号化器と、符号化器は、光上に情報を符号化するように構成され、情報は、ユーザノードに送るための１つの状態を複数の状態からランダムに選択することによって符号化され、光は、平均で１つ未満の光子を包含するパルスでサーバから離れる、
復号器と、復号器は、平均で１つ未満の光子を包含する光パルスを受信し、光パルスを測定することによって光パルスから情報を復号するように構成され、測定のための測定基底は、情報を符号化するために使用される状態の測定を可能にするために、測定基底のセットからランダムに選択される、
のうちの少なくとも１つを備え、量子鍵配送ユニットは、サーバが、符号化又は復号のために使用する測定基底を復号又は符号化のためにユーザノードによって使用される測定基底と比較することを可能にするように構成されたシフティングユニットを更に備え、量子鍵配送ユニットは、符号化の測定基底と復号の測定基底とが一致しない場合にパルスから情報を破棄するように構成される。
符号化器と、符号化器は、光上に情報を符号化するように構成され、情報は、ユーザノードに送るための１つの状態を複数の状態からランダムに選択することによって符号化され、光は、平均で１つ未満の光子を包含するパルスでサーバから離れる、
復号器と、復号器は、平均で１つ未満の光子を包含する光パルスを受信し、光パルスを測定することによって光パルスから情報を復号するように構成され、測定のための測定基底は、情報を符号化するために使用される状態の測定を可能にするために、測定基底のセットからランダムに選択される、
のうちの少なくとも１つを備え、量子鍵配送ユニットは、サーバが、符号化又は復号のために使用する測定基底を復号又は符号化のためにユーザノードによって使用される測定基底と比較することを可能にするように構成されたシフティングユニットを更に備え、量子鍵配送ユニットは、符号化の測定基底と復号の測定基底とが一致しない場合にパルスから情報を破棄するように構成される。
【0021】
このことから、サーバは、符号化器と、復号器を設けられたユーザノードとを有し得る（又はその逆も同様）。更なる実施形態では、サーバは、ＱＫＤが符号化器のみ又は復号器のみを有するノードで実行され得るように、復号器及び符号化器を設けられ得る。符号化器／復号器は、偏光又は位相を使用してＱＫＤを実行するように構成され得る。
【0022】
更なる実施形態では、第１のサーバ、複数のユーザノード、及び少なくとも１つのスイッチを備えるネットワークが提供され、少なくとも１つのスイッチは、ユーザノードのうちの任意の２つの間、及びユーザノードのうちの任意のものとサーバとの間の選択的接続を可能にするように構成され、ユーザノードの各々は、量子鍵配送ユニット、ネットワークインターフェース、及び認証ユニットを備え、第１のサーバは、上記で説明されたようなＱＡＳである。
【0023】
更なる実施形態では、ネットワークは、少なくとも１つの更なるサーバを更に備え得、少なくとも１つの更なるサーバもまた、上記で説明されたようなＱＡＳであり、第１のサーバは、第１のサーバが満たすことができない共有ＰＳＫを求める要求をユーザノードから受信すると、更なるサーバにクエリを送るように構成される。
【0024】
上記のネットワークでは、第１のユーザノードは、ＰＳＫが第２のユーザノードと認証することを求める要求に応答して、２つのサーバからＰＳＫを受信し、第１のユーザノードは、２つのサーバからの組み合わされたＰＳＫを形成し、第２のユーザノードもまた、第１のユーザノード及び第２のユーザノードが認証することを可能にするための組み合わされたＰＳＫを導出する。２つのＰＳＫは、ＸＯＲ演算などの演算によって形成され得る。これは、第１及び第２のユーザノードが、サーバのうちの１つが危険にさらされたとしてもセキュアに通信することができる。第２のノードは、２つのＱＡＳからＱＫＤ暗号化通信を介して２つのＰＳＫを取得することができるか、又はＰＳＫは、例えば、それらが２つのＱＡＳ及び第２のユーザノードとの認証用のＰＳＫである場合に、第２のユーザノード上に既に記憶されていることがある。
【0025】
ネットワークは、複数の更なるサーバを備え得、第１のサーバ及び複数の更なるサーバは、階層に配置され、第１のサーバは、第１のサーバが満たすことができない共有ＰＳＫを求める要求をユーザノードから受信すると、階層においてその上の別のサーバにクエリを送るように構成される。
【0026】
ネットワークを通した通信は、スイッチによって制御され、これらのスイッチは、別個の構成要素であり得るか、又はＱＡＳ及び／若しくはユーザノードの１つ以上内に設けられ得る。
【0027】
ユーザノードはまた、更なる機能を有し得る。例えば、それらは、ファイルサーバ又は量子コンピュータであり得る。
【0028】
実施形態では、ネットワークは、複数のサブネットワークを備え、複数のサブネットワークは、通信チャネルによってリンクされる。例えば、通信チャネルは、長距離チャネル（＞１０００ｋｍ）又は衛星リンクであり得る。
【0029】
更なる実施形態では、ネットワーク中の第１のノードと第２のノードとの間で事前共有鍵「ＰＳＫ」を共有する方法が提供され、方法は、
第１のノードとサーバとの間の第１のチャネルを認証することと、
第１の量子鍵を確立するために、サーバと第１のノードとの間でＱＫＤを実行することと、
第１のノードと第２のノードとの間で第１の量子鍵により共有するためにサーバにおいて第１のＰＳＫを暗号化することと、
第１のノードに暗号化されたＰＳＫを送ることと
を備える。
第１のノードとサーバとの間の第１のチャネルを認証することと、
第１の量子鍵を確立するために、サーバと第１のノードとの間でＱＫＤを実行することと、
第１のノードと第２のノードとの間で第１の量子鍵により共有するためにサーバにおいて第１のＰＳＫを暗号化することと、
第１のノードに暗号化されたＰＳＫを送ることと
を備える。
【0030】
上記で説明されるように、第１のＰＳＫは、第２のユーザノードと事前共有されていることがある。また更なる実施形態では、方法は、第２のノードとサーバとの間の第２のチャネルを認証することと、
第２の量子鍵を確立するために、サーバと第２のノードとの間でＱＫＤを実行することと、
第１のノードと第２のノードとの間で第２の量子鍵により共有するためにサーバにおいて第１のＰＳＫを暗号化することと、
第２のユーザノードに暗号化されたＰＳＫを送ることと
を更に備え得る。
第２の量子鍵を確立するために、サーバと第２のノードとの間でＱＫＤを実行することと、
第１のノードと第２のノードとの間で第２の量子鍵により共有するためにサーバにおいて第１のＰＳＫを暗号化することと、
第２のユーザノードに暗号化されたＰＳＫを送ることと
を更に備え得る。
【0031】
上記は、完全にセキュアでスケーラブルな量子ネットワークが実現されることを可能にする。上記は、ユーザが認証用の事前共有鍵（ＰＳＫ）として使用するためにＱＫＤセキュアリンクを通してユーザに送られる乱数を生成する信頼される権限サーバに基づいて、ＱＫＤネットワーク用の認証システムを可能にする。
【0032】
更に、上記のＱＡＳは、データ暗号化のために使用するための鍵を成長させるための認証及びＱＫＤ用のＰＳＫを使用するスケーラブルな情報理論的セキュア通信ネットワークの提供を可能にし、ここで、ユーザツーユーザＱＫＤ用の初期ＰＳＫは、信頼される権限サーバを通して取得される。
【0033】
光学的に切り替えられるＱＫＤネットワークは、信頼される権限サーバとのネットワーク通信を通して提供された認証を有する。
【0034】
上記のＱＡＳは、場合によっては、限定するものではないが、量子乱数生成器、ネットワーク上のユーザとの認証用のＰＳＫの鍵ストア、誰が誰と通信することができるかを定義するネットワークユーザのデータベース及びアクセス制御リスト、認証ポリシー管理、時限ＱＫＤセッションを強制するか又はサービス品質（ＱｏＳ）要件を処理するなどのポリシー制御された認証用のＰＳＫにメタデータを含める能力を備える、量子通信ネットワーク用の信頼される権限ノードを提供する。
【0035】
前述された信頼される権限／量子ネットワーク設計は、ファイルサーバ上のセッション、量子コンピュータ又は量子感知能力など、ネットワーク上の量子リソースへの認証されたユーザアクセスを制御するために使用される。
【0036】
量子通信ネットワークは、階層様式で配置され、ＱＫＤリンクを通して接続される、複数の信頼される権限を備える上記を使用して生成されることができる。長距離リンクは、ツインフィールドＱＫＤ又は衛星ＱＫＤを介して接続されることができる。前述された量子ネットワークは、ネットワーク機能及び光学スイッチングが例えばソフトウェア定義ネットワーキング（ＳＤＮ）を使用してソフトウェアによって制御されるようなものである。
【0037】
更なる実施形態では、ＰＳＫ認証鍵が２つの独立ＰＳＫ鍵に対してＸＯＲ演算を実行することによってユーザ間で取得され、危険にさらされた信頼される権限の脅威に対して軽減するように、少なくとも２つの信頼される権限サーバを含む量子ネットワークが提供される。
【0038】
図１は、実施形態に従った量子ネットワークの概略図であり、ネットワークは、量子認証サーバ「ＱＡＳ」１、第１のノード３（「アリス」と呼ばれる）及び第２のノード５（「ボブ」と呼ばれる）を備える。
【0039】
アリス３とボブ５のノードの詳細は、後に説明される。ＱＡＳ、アリス３及びボブ５は、スイッチ７を介して互いに接続される。スイッチ７は、ＱＡＳ１がアリス３若しくはボブ５のうちのいずれかと選択的に通信することができるように、又はアリス３とボブ５が互いと通信することができるように構成される。
【0040】
図１の例では、ＱＡＳ１、アリス３、ボブ５、及びスイッチ７は、光ケーブルによってリンクされる。しかしながら、接続のうちの１つ以上は、自由空間によって提供されることができる。また、この例では、２つのノード（アリス３とボブ５）は、その最も単純な形式で概念を説明するように示されている。しかしながら、システムは、２つよりも多くのノード、並びに場合によっては、複数のスイッチ及び複数のＱＡＳを組み込むように構成され得る。
【0041】
図１の配置を検討するより前に、量子通信の概要が与えられる。
【0042】
ここで、偏光を使用する基本的な量子通信プロトコルが説明される。しかしながら、これは限定を意図されず、プロトコルに基づく他の偏光も使用されることができることに留意されたい。更に、上記のサーバは、どのＱＫＤシステムとも使用されることができ、偏光と共に使用することに限定されない。例えば、位相又はエネルギー／時間ベースのＱＫＤプロトコルも使用されることができる。
【0043】
プロトコルは、２つの基底を使用し、各基底は、２つの直交状態によって記述される。この例では、水平／垂直（Ｈ／Ｖ）及びの対角／反対角（Ｄ／Ａ）の基底である。しかしながら、左円偏光／右円偏光（Ｌ／Ｒ）基底もまた、選択されることができる。
【0044】
プロトコルにおける送信者は、Ｈ、Ｖ、Ｄ、又はＡ偏光のうちの１つでの状態を準備する。言い換えれば、準備される状態は、２つの基底Ｈ／Ｖ及びＤ／Ａのうちの１つにおける２つの直交状態（Ｈ及びＶ又はＤ及びＡ）から選択される。これは、２つの基底のうちの１つにおける０及び１の信号、例えば、Ｈ／Ｖ基底におけるＨ＝０、Ｖ＝１、及びＤ／Ａ基底におけるＤ＝０、Ａ＝１を送ることとして考慮されることができる。パルスは、平均で１つ以下の光子を備えるように減衰される。このことから、測定がパルスに対して行われる場合、パルスは破壊される。また、パルスを分割することは不可能である。
【0045】
受信者は、Ｈ／Ｖ基底又はＤ／Ａ基底から選択されるパルスの偏光についての測定基底を使用する。測定基底の選択は、能動又は受動であることができる。受動選択では、基底は、ビームスプリッタなどの固定構成要素を使用して選択される。「能動」基底選択では、受信者は、例えば、電気制御信号を有する変調器を使用して、どの基底を測定するべきかの決定を行う。受信者側でパルスを測定するために使用される基底がパルスを符号化するために使用される基底と同じ場合、受信者のパルスの測定は正確である。しかしながら、受信者がパルスを測定するために他の基底を選択した場合、受信者によって測定される結果には５０％の誤りが存在するであろう。
【0046】
鍵を確立するために、送信者及び受信者は、符号化及び測定（復号）するために使用された基底を比較する。それらが一致する場合、結果は保持され、それらが一致しない場合、結果は破棄される。上記の方法は、非常にセキュアである。盗聴者がパルス及び測定値を傍受する場合、盗聴者は、受信機に送るための別のパルスを準備しなければならない。しかしながら、盗聴者は、正しい測定基底を知ることがなく、従って、パルスを正しく測定する５０％のチャンスしか有さないであろう。盗聴者によって再現されるどのパルスも、受信機に対してより大きい誤り率を引き起こし、それは、盗聴者の存在を証明するために使用されることができる。送信者及び受信者は、誤り率、及び故に盗聴者の存在を決定するために、鍵の小さい部分を比較する。
【0047】
上記は、偏光に関連して説明されてきたが、これは例示である。エネルギー／時間などの他のシステム又は位相に基づく他のＱＫＤプロトコルが使用されることができる。
【0048】
上記のＱＫＤは、２つのチャネル、平均で１つ以下の光子を包含するパルスの通信に使用される「量子チャネル」と、基底の議論（「シフティング」）に使用される古典チャネルとを必要とする。また、古典チャネルは、鍵が量子チャネル上に確立されると、更なる通信のために使用されることができる。「チャネル」という用語は、論理チャネルを参照するために使用されることに留意されたい。量子及び古典チャネルは、同じ物理的ファイバ内に設けられる。
【0049】
しかしながら、シフティングプロセスの場合、古典チャネルはまた、認証される必要がある。これは、紛れもなく、アリスとボブとの間で通信された古典メッセージが相手によって送られ、移動中に改ざんされなかったことが実証されることができることを意味する。言い換えれば、これは、中間者攻撃を回避する。認証は、公開鍵暗号（例えばＲＳＡ）を使用して行われることができる。しかしながら、実施形態では、アリスとボブは、事前共有対称鍵（ＰＳＫ）を使用して互いに認証する。
【0050】
完全性のために、二者が私有鍵を共有する場合、彼らは、多くの異なる方法を使用して互いに認証することができることに留意されたい。１つの方法は、メッセージ認証コード（ＭＡＣ）の使用を伴う。ここで、送信者（例えばアリス）及び受信者（例えばボブ）は、鍵（ＰＳＫ）を共有する。
【0051】
アリスは、次いで、メッセージ及びＰＳＫを既知のＭＡＣアルゴリズムに入力することによってＭＡＣを生成する。生成されたＭＡＣ及びメッセージは、次いで、ボブに送られる。ボブは、次いで、メッセージ及び彼のＰＳＫを既知のＭＡＣアルゴリズムに入力し、出力をアリスによって送られたＭＡＣと比較する。それらが一致する場合、彼は、彼が受信したメッセージ及びＭＡＣコードがアリスによって送られていたことを知る。アリスは、異なるメッセージを使用し、新しく生成されたＭＡＣ及びメッセージをアリスに送り返すプロセスを繰り返すことをボブに求めることによって、ボブを認証することができる。アリスは、次いで、彼女の新しく生成されたＭＡＣコードがボブによって送られたものと一致するかどうかを確認するために、彼女の鍵を用いて彼女のアルゴリズムに新しいメッセージを入力することができる。
【0052】
しかしながら、アリスとボブがＰＳＫを既に共有していないか、又は彼らが共有するＰＳＫが危険にさらされていることが知られるという状況が発生する可能性がある。この場合、図１のシステムにおけるＱＡＳは、アリスとボブが認証することを可能にするために使用される。
【0053】
ここで、そのような動作が、図２を参照して説明される。
【0054】
不要な繰り返しを回避するために、同様の参照番号が、同様の特徴を示すために使用される。
【0055】
図２のシステムでは、アリス３とボブ５は、両方ともＱＡＳ１とＰＳＫを共有する。アリスとＱＡＳとの間で共有されるＰＳＫは、アリス３がＱＡＳとＱＫＤを実行し、ＱＡＳと認証することを可能にする。ボブとＱＡＳとの間で共有されるＰＳＫは、ボブ５がＱＡＳとＱＫＤを実行し、ＱＡＳと認証することを可能にする。
【0056】
アリス３は、ボブとセキュアに通信することを望むが、彼らは、ＰＳＫを共有していない。しかしながら、彼らは両方とも、ＱＡＳとＰＳＫを共有し、ＱＡＳ１は、互いに認証するために使用されることができる。
【0057】
ステップ１では、スイッチ７はアリスとＱＡＳを接続するように構成される。実施形態では、各ユーザは、スイッチを有し、メッシュネットワークを形成することができる。代替として、示されるように、単一の集中型スイッチが存在する。集中型スイッチは、ＱＡＳ、又は何らかの他の高レベルネットワークコントローラによって制御されることができる。
【0058】
この実施形態では、対称ＰＳＫ、ＫAQが、アリス３とＱＡＳ１の両方にインストールされている。従って、アリス３とＱＡＳ１は、互いに認証し、このことから、ＱＫＤを実行してセキュアに通信することができる。ステップ１では、アリス３は、ボブ５と通信することを要求し、この要求は、ステップ１Ａとして示されるように、ＱＡＳ１に送られる。
【0059】
ＱＡＳ１は、後により詳細に説明されるその内部データベースをチェックし、それがボブ５を信頼しているかどうか（即ち、それがボブとＰＳＫ、ＫBQを共有しているかどうか）を確認する。更なる実施形態では、ＱＡＳ１はまた、アリスとボブが通信することを許容されるかどうかを確認するために規則をチェックするように構成され得る。
【0060】
ＱＡＳが、アリス３とボブ５が通信することができることを承認すると、ＱＡＳ１は、認証するためにアリスとボブによって使用されるＰＳＫ、ＫABとなる乱数を（例えば、内部ＱＲＮＧを使用して）生成する。
【0061】
ＱＡＳ１は、次いで、既知のＱＫＤプロトコル、例えば、上記で説明された基本的なＱＫＤプロトコルを使用してＱＫＤ鍵を生成するために、それとアリス３との間でＱＫＤリンクを使用する。古典チャネルを通した通信が、次いで、シフティングプロセスの一部としてアリス３とＱＡＳ１によって実行され、ここで、アリス３とＱＡＳ１との間の古典通信は、ＫAQを使用して認証される。ＱＫＤ鍵がアリス３とＱＡＳ１との間で確立されると、これは、次いで、ステップ１Ｂにおいてアリスに送るためのＫABを暗号化するために使用される。
【0062】
ステップ２では、スイッチ７は、ＱＡＳ１とボブ５を接続する。ＱＡＳ１とボブ５は、以前に製造業者によってインストールされたＰＳＫ、ＫBQを使用して認証する。ボブ５及びＱＡＳ１は、次いで、ボブ５とＱＡＳ１との間でＱＫＤ鍵を確立するためにＱＫＤを実行する。シフティングプロセスは、ＫBQを使用してボブとＱＡＳ１との間の認証された古典チャネルを使用して実行される。ＱＫＤが実行され、ＱＫＤ鍵がボブ５とＱＡＳ１との間で確立されると、ＰＳＫ鍵ＫABは、次いで、量子鍵を使用して暗号化され、ボブ５に送られる。
【0063】
このことから、アリスとボブは、対称ランダム鍵ＫABを共有する。最後に、ステップ３では、スイッチ７は、光リンクを介してアリスとボブを接続する。アリス３とボブ５は、ここで、ＫABを使用して認証し、ＱＫＤを実行してセキュアに通信する。
【0064】
上記の実施形態では、この手順において通信チャネルを通して受け渡される全てのメッセージは、ＱＫＤ鍵を使用して暗号化され、ＱＫＤを使用する暗号化を使用して事前記憶されたか又は通信されたかのうちのいずれかであるＰＳＫを使用して認証されることができ、このことから、完全なセキュリティを保証することができる。
【0065】
実施形態では、ＰＳＫ（ＫAQ、ＫAB、及びＫBQ）は、１回だけ使用される。例えば、Ｗｅｇｍａｎ－Ｃａｒｔｅｒスタイルメッセージ認証コードを使用するＩＴＳセキュリティの場合、ＰＳＫは、１回のみ使用されるべきである。従って、実施形態では、２人のユーザが認証し、ＱＫＤを実行することを開始すると、彼らは、彼ら間の以前のＰＳＫを破棄する。彼らは、次いで、将来の認証セッションの準備ができた、「ＰＳＫ鍵ストア」中の新たに生成された量子鍵のうちのいくつかをリザーブすることができる。このことから、認証されると、ユーザは、毎回ＱＡＳ１に接触する必要なく、ＱＫＤを使用してセキュアに通信することができる。言い換えれば、ＱＫＤが鍵を確立するために使用されると、鍵の一部が、送られるメッセージを暗号化するために使用され、鍵の一部は、次回ＱＫＤが実行されるときに認証鍵となるようにリザーブされる。
【0066】
ネットワーク管理（例えば、リンクを再構成するために光スイッチ７にシグナリングすること）は、量子信号によって占有されたのと同じチャネル、又は代替として、別個の公共通信チャネル（例えば、古典インターネット）を使用して実行されることができる。これは、ソフトウェア定義ネットワーキング（ＳＤＮ）を用いる新しいネットワークアーキテクチャ、及び従来のネットワークと互換性がある。
【0067】
【0068】
図３Ａのノードにまず目を向けると、ノード３０１は、量子鍵を生成するためのＱＫＤハードウェア３０３を備える。ＱＫＤハードウェアは、量子送信機及び量子受信機を備えることができる。
【0069】
可能な送信機の例は、図４Ａに１０１として示される。送信機は、偏光符号化された光子を放出することが可能なあらゆるタイプの量子送信機であり得る。この特定の例では、送信機１０１は、４つのレーザ１０５、１０７、１０９、及び１１１を備え、それらの各々は、水平に偏光された光を放出する。レーザ１０５からの出力は、偏光合成オプティクス１３９に向かって提供される。レーザ１０７からの出力は、半波長板を介して偏光合成オプティクス１３９に向かって提供され、半波長板は、水平に偏光された光を対角に偏光された光に変換するように構成される。レーザ１０９からの出力は、半波長板を介して偏光合成オプティクス１３９に向かって提供され、半波長板は、水平に偏光された光を垂直に偏光された光に変換するように構成される。レーザ１１１からの出力は、半波長板を介して偏光合成オプティクス１３９に向かって提供され、半波長板は、水平に偏光された光を反対角に偏光された光に変換するように構成される。
【0070】
偏光合成オプティクスは、異なる偏光がランダムに変化する偏光を有するパルスのストリームに合成されることを可能にする。これは、多くの異なる方法で達成され得る。例えば、レーザは、パルスレーザであり得、コントローラ（図示せず）は、一度に１つのパルスが偏光合成オプティクスに達するように、レーザ１０５、１０７、１０９、及び１１１からの１つのレーザをランダムに選択して、パルスをランダムに出力するために設けられる。他の実施形態では、偏光合成オプティクス又は更なる構成要素は、パルス出力ストリームを可能にするために、１つのレーザからの出力をランダムに選択するか、又は３つのレーザからの出力をランダムに選択的にブロックするように構成され得る。パルスは、パルスレーザによって生成され得るか、又はｃｗレーザが、出力をパルスに切るための更なる構成要素と共に使用され得る。
【0071】
減衰器（図示せず）は、次いで、パルスが平均で１つ未満の光子を包含するように、パルスの出力を減衰するために使用される。代替として、単一光子エミッタが、レーザ１０５、１０７、１０９、及び１１１の代わりに使用されることができる。
【0072】
簡略化された形態の受信機が図４Ｂに示される。受信機は、第１の測定チャネル２０７又は第２の測定チャネル２０９のうちのいずれかに沿って到来するパルスを方向付けるであろう５０－５０ビームスプリッタ２０５を備える。パルスが平均で１つ未満の光子を包含するので、５０－５０ビームスプリッタ２０５は、第１の測定チャネル又は第２の測定チャネルのうちの１つにランダムに沿ってパルスを方向付けるであろう。これは、Ｘ（Ｄ／Ａ）基底又はＺ（Ｈ／Ｖ）基底になるように測定基底を選択する結果を有する。非偏光ビームスプリッタ２０５は、２つの基底のうちの１つのランダム選択を可能にするように機能する。
【0073】
第１の測定チャネルは、Ｄ／Ａ基底に対応するＸ基底用である。ここで、半波長板２１１が、２つの検出分岐間で４５度だけ偏光を回転させるために、即ち、２つの測定基底Ｘ及びＺを与えるために、設けられる。半波長板２１１の出力は、次いで、偏光するビームスプリッタ２１３に向かって方向付けられる。偏光するビームスプリッタ２１３は、反対角検出器２１５に向かって反対角偏光を有するパルスを、及び対角検出器２１７に向かって対角偏光を有するパルスを方向付ける。検出器２１５及び２１７は、単一光子検出器、例えばアバランシェフォトダイオードである。
【0074】
第２の測定チャネルに沿って方向付けられるパルスは、それらが水平又は垂直であるかを決定するためにＺ基底において測定される。ここで、第２の測定チャネルに方向付けられるパルスは、偏光するビームスプリッタ２１９に向かって方向付けられ、偏光するビームスプリッタ２１９は、垂直に偏光されたパルスを検出器２２１に向かって、水平に偏光されたパルスを検出器２２３に向かって方向付ける。ここでも、検出器２２１及び２２３は、単一光子検出器である。
【0075】
Ｄ／Ａ基底において偏光された光子が受信され、これが、第２の測定チャネル２０９に沿ってＺ基底において測定されるようにランダムに送られる場合、検出器２２１、２２３のうちの１つは、計数を登録する可能性が高い。しかしながら、この結果は、偏光するビームスプリッタ２１９において受信された光子が垂直検出器又は水平検出器のうちのいずれかに向かって方向付けられる５０－５０のチャンスを有するので、信頼されることができない。
【0076】
実施形態では、ノード３０１中のＱＫＤハードウェア３０３は、ノードがＱＫＤプロセス中に送信機として機能するか、又は受信機として機能するかに応じて、送信機及び受信機の両方を備えるであろう。しかしながら、ノードが送信機だけを包含することは、それが受信機を有するＱＡＳ又は複数のノードでＱＫＤを実行するだけである場合に可能であり、更に、ノードは、それが送信機を有するＱＡＳ又は複数のノードでＱＫＤを実行するだけである場合に受信機だけを包含し得る。
【0077】
ノード３０１はまた、鍵管理システム３０５を有する。鍵管理システムは、鍵交換及び記憶を管理する。図３Ａの例では、鍵管理システム３０５は、ＱＫＤストア３０７を備え、ＱＫＤストア３０７は、ＱＫＤを介して確立された鍵を記憶し、ＱＫＤは、通信及びＰＳＫストレージを暗号化するために使用されるべきであり、ＰＳＫストレージは、ユーザが他のネットワークユーザ（及びＱＡＳ）と共有したＰＳＫを保存するために割り振られ、ＰＳＫは、認証のために使用されることができる。これらのＰＳＫのうちのいくつかは、使用より前にノード中に事前記憶され得、その他は、ＱＡＳから受信され得（量子鍵を介して暗号化され得）、他のＰＳＫは、ＱＫＤを使用して生成された鍵のリザーブされた部分であり得る。
【0078】
ノード３０１はまた、鍵消費データ暗号化器３１１を備える。データ暗号化器は、データ通信を暗号化／解読するためにＱＫＤ鍵を使用する（例えば、ワンタイムパッド又はＡＥＳなどの代替の暗号を使用する）。
【0079】
ノードはまた、認証中に使用される認証エージェント／ユニット３１０を備え得る。これは、スタンドアローン構成要素、又はユーザノード３０１の他の構成要素、例えば鍵消費データ暗号化器、のうちの任意のものの一部であり得る。
【0080】
図３Ｂは、ＱＡＳ３２１の構成要素を示す。構成要素は、ＱＫＤハードウェア３２３、鍵管理システム３２５（ＱＫＤストレージ３２９及びＰＳＫストレージ３２７を有する）、鍵消費データ暗号化器３３１、及び認証ユニット／エージェント３３０を備える。実施形態では、ＱＡＳのＱＫＤハードウェア３２３は、ユーザノード３０１のＱＫＤハードウェア３０３と同じであろう。しかしながら、上記で説明されたように、ユーザノード３０１中のＱＫＤハードウェアは、ＱＫＤ受信機だけを設けられ得る。しかしながら、ＱＡＳのＱＫＤハードウェア３２３は、ＱＫＤ送信機を備えるであろう。多くの実施形態では、ＱＫＤ受信機及び送信機は、ＱＡＳ３２１のＱＫＤハードウェア３２３中に設けられるであろう。
【0081】
実施形態では、ＱＡＳの鍵管理システム３２５は、ユーザノード３０１の鍵管理システム３０５と大部分が同じであろう。しかしながら、ＱＡＳがユーザノード中に記憶されたものよりも多くのユーザノード及び他のノードのためにＰＳＫを記憶するであろう可能性が高い。
【0082】
実施形態では、ＱＡＳの鍵消費データ暗号化器３３１は、ユーザノード３０１の鍵消費データ暗号化器３１１と同じである。
【0083】
実施形態では、ＱＡＳの認証ユニット／エージェント３３０は、ユーザノード３０１の認証ユニット／エージェント３１０と同じである。
【0084】
加えて、ＱＡＳは、ユーザのデータベース及びアクセス制御リストを更に備え得る。ネットワーク上のユーザのデータベースは、認証のためにＰＳＫを共有するユーザのデータベースを備え得る。アクセス制御リストは、ネットワーク管理者が、どのユーザが通信することを許容されるかを定義することを可能にするリストである。
【0085】
ＱＡＳ３２１はまた、ＱＡＳがある特定のポリシーを制御することを可能にするポリシー管理モジュールを備え得、例えば、ポリス管理モジュールは、固定セッション長を強制することができる。例えば、ＱＡＳが２人のユーザ間で共有するためにＰＳＫを作成すると、ポリシー管理モジュール３３５は、鍵がどのように使用されなければならないかをユーザに指示する追加のメタデータを含むことができる。
【0086】
ＱＡＳ３２１はまた、以前に信頼されていたホストが禁止されることができるように、取り消しリスト（図示せず）を含むことができる。この特徴は、ＱＡＳ３２１が、全てのその信頼される（即ち、そのＰＳＫを使用してセキュアに認証することができる）ユーザにセキュアにメッセージして、彼らにある特定のユーザを信頼しないように伝えることを可能にするであろう。
【0087】
ＱＡＳはまた、乱数生成器３３７を備え、それは、乱数を生成して、暗号化され、２つのノードに送られる新しいＰＳＫを形成して、それらが互いと認証することを可能にするために使用されるであろう。また、乱数生成器は、ＱＫＤ中に基底のランダム制御を提供するように、ＱＫＤハードウェア３０３中の送信機及び／又は受信機を制御するために使用されることができる。
【0088】
図５Ａ及び５Ｂは、実施形態に従った、ユーザノード及びＱＡＳによってそれぞれ実行される動作を要約したフローチャートである。
【0089】
ユーザノード、例えばアリスは、図５Ａの方法のステップを実行する。ステップＳ３５１では、アリスは、新しいノード（ボブ）との認証を要求することを求めるメッセージをＱＡＳに送る。アリスは、次いで、ＱＡＳとの認証を必要とする。上記で説明された例を使用して、認証は、メッセージ及びＰＳＫ（ＱＡＳとアリスとの間で事前共有されている）を入力することによって生成されるＭＡＣコードを使用して実行される。ステップＳ３５３では、アリスは、上記で説明されたように、対応するメッセージと共にＱＡＳに送るための認証ＭＡＣを生成する。
【0090】
独立して、ステップＳ３５５では、アリスは、メッセージと共に認証ＭＡＣをＱＡＳから受信する。このフローチャートでは、ステップＳ３５５は、ステップＳ３５３の後に示される。しかしながら、これらのステップは、逆の順序で行われることができるか、又は同時に行われることができる。場合によっては、ステップのうちの１つ以上は、ステップＳ３５１においてメッセージを送るより前に行われることができる。
【0091】
アリスがＱＡＳを信頼するかどうかを決定するために、アリスは、メッセージ及び彼女自身のＰＳＫ鍵を事前同意されたアルゴリズムに入力して、彼女がＭＡＣコードと一致するかを確認することによって、ステップＳ３５５において受信されたメッセージを認証する。
【0092】
認証が行われ、アリスがＱＡＳを信頼することができると知る（中間者攻撃が存在しないことを保証する）と、アリスとＱＡＳは、上記で説明されたようにＱＫＤを実行する。この例では、アリスは、ＱＫＤ信号（即ち、符号化された光パルス）を受信し、パルスがＱＡＳから生成されると仮定される。ステップＳ３６１では、アリスは、次いで、彼女の測定基底を変更することによってＱＫＤ信号を解読する。この実施形態では、厳密に必要とされるよりも長い鍵が、ＱＫＤプロトコルから抽出される。より長い鍵の一部は、ＱＫＤ鍵として使用され、共有鍵の別の部分は、アリスとＱＡＳ用の新しいＰＳＫとして保存されるであろう。
【0093】
アリスとＱＡＳがＱＫＤ鍵を共有すると、アリスは、次いで、ステップＳ３６３において、ＱＫＤ鍵によって暗号化された鍵を受信する。ＱＫＤ鍵によって暗号化されたこの鍵は、彼女がここで彼女と新しいノード（ＫAB）との間で共有するであろうＰＳＫである。アリスは、次いで、ステップＳ３６５において新しい鍵（ＫAB）を復号する。
【0094】
アリスは、次いで、新しいノード（ボブ）との認証を開始するためにＫABを使用することができる。この第１のステップは、ステップＳ３６７において示され、ここで、アリスは、新しい認証ＭＡＣを生成し、それを新しいノードに送るためにＰＳＫを使用する。
【0095】
図５Ｂは、ＱＡＳによって実行されたステップを示す。ステップＳ３７１では、ＱＡＳは、新しいノード（例えばボブ）と認証するためのメッセージをアリスから受信し、ＱＡＳは、ステップＳ３７３において、アリスとボブが通信することを許容されているかどうかを確認するために、そのアクセス制御リストをチェックする。彼らが許容されている場合、ＱＡＳは、次いで、アリスとボブが使用するための新しいＰＳＫを取得する。図３Ｂを参照して説明されたように、ＱＡＳは、その乱数生成器を使用して、それが要求を受信するとＰＳＫを生成することができる。しかしながら、ＱＡＳはまた、ＰＳＫのものとして使用する準備ができた事前記憶された乱数を有し得る。
【0096】
新しいＰＳＫは、ＫABと呼ばれるであろう。
【0097】
ステップＳ３７７ａでは、ＱＡＳは、対応するメッセージと共にアリスに送るための認証ＭＡＣを生成し、それはまた、ステップＳ３７９ａにおいてメッセージと共に認証ＭＡＣをアリスから受信する。ステップＳ３７７ａ及びＳ３７９ａは、同時又は逆の順序で実行されることができることに留意されたい。また、Ｓ３７７ａ及びＳ３７９ａの認証ステップがステップＳ３７１におけるメッセージの受信より前に、又は以前に説明されたステップのうちのいずれの前でも実行されることが可能である。
【0098】
ＱＡＳがメッセージと共に認証ＭＡＣを受信すると、ＱＡＳは、ステップＳ３８１ａにおいてこれを認証する。これを行うために、ＱＡＳは、受信されたメッセージと、彼らがアリスと共有するＰＳＫとを入力し、生成されたＭＡＣをアリスから受信されたものと比較する。
【0099】
これが完了すると、ＱＡＳは、ステップＳ３８３ａにおいてアリスとＱＫＤを実行することを開始する。この実施形態では、ＱＡＳは、アリスに暗号化された光パルスを送る。ＱＡＳは、上記で説明されたように、ランダムに変化する基底を有する光パルスを準備することによって、光パルスを暗号化する。ＱＡＳは、ステップＳ３８５ａにおいてＱＫＤ鍵を生成するためにシフティングを実行する。シフティングは、アリスから認証されたチャネルを通して、彼女が使用した測定基底を示す情報を受信することによって準備され得る。ＱＡＳは、次いで、古典チャネルを通してアリスに情報を送り、どの結果が正しい基底で測定されたかを彼女にアドバイスする。ＱＡＳは、次いで、ＱＫＤ鍵を生成するために、準備基底に一致した基底で測定されたパルスの結果のみを保持する。
【0100】
この例では、ＱＫＤ用に必要とされるよりも長い鍵が、シフティングプロセスによって準備される。過剰な鍵は、次いで、１つ以上のＰＳＫとして保存されて、ＱＡＳとアリスが次に認証する必要があるときに使用するための新しいＰＳＫ ＫAQ’を彼らが有することを可能にする。
【0101】
ＱＡＳは、次いで、アリスとＱＡＳとの間でＱＫＤを実行することによって生成されたＱＫＤ鍵材料でＫABを暗号化し、アリスにこれを送る。
【0102】
上記は、アリスとの通信について説明されてきた。しかしながら、ＱＡＳは、ボブとの通信についても同じステップを実行する。図５Ｂのフローチャートでは、ステップＳ３７７ｂ、Ｓ３７９ｂ、Ｓ３８１ｂ、Ｓ３８３ｂ、３８５ｂ、及びＳ３８７ｂは、接尾辞「ａ」を有するステップがアリスに関連してＱＡＳによって実行されるステップに関し、接尾辞「ｂ」を有するステップがボブに関連してＱＡＳによって実行されるステップに関することを除き、ステップＳ３７７ａ、Ｓ３７９ａ、Ｓ３８１ａ、Ｓ３８３ａ、３８５ａ、及びＳ３８７ａにそれぞれ対応する。ステップＳ３７７ｂ、Ｓ３７９ｂ、Ｓ３８１ｂ、Ｓ３８３ｂ、３８５ｂ、及びＳ３８７ｂは、ステップＳ３７７ａ、Ｓ３７９ａ、Ｓ３８１ａ、Ｓ３８３ａ、３８５ａ、及びＳ３８７ａと同時に、これらのステップと交互に実行され得るか、又はそれらの前若しくは後に実行され得る。
【0103】
アリスは、ステップＳ３８７ａにおいてＰＳＫ ＫABを受信し、ボブは、ステップ３８７ｂにおいてＰＳＫ ＫABを受信し、それは、アリスとボブが彼らの古典チャネルを認証することを可能にする。
【0104】
図１のネットワークはスケーラブルである。図６は、更なる実施形態に従ったネットワーク４０１を示し、それは、単一のＱＡＳサーバ４０３を備えるが、３つのスイッチ４０５、４０６、及び４０７を有し、それは、この例では、５つのユーザノード、アリス４０９、ボブ４１１、チャーリー４１３、デイヴィッド４１５、及びフランク４１７をサポートする。
【0105】
アリス４０９とボブ４１１は、スイッチ４０５に接続され、デイヴィッド４１５とフランク４１７は、スイッチ４０７に接続される。スイッチ＃１ ４０５及びスイッチ＃３ ４０７は、スイッチ＃２ ４０６にも接続されたチャーリー４１３と共にスイッチ＃２ ４０６に接続される。この配置は、アリスがスイッチ＃１ ４０５を介してボブと通信することができ、アリスがスイッチ＃１ ４０５及びスイッチ＃２ ４０６を介してＱＡＳ４０３と通信することができることを意味し、それらの両方は、古典通信及びＱＫＤの両方がアリス４０９とＱＡＳ４０３との間で実行されることを可能にするように制御される必要がある。
【0106】
図６のネットワークは、各ユーザが５人のユーザ及び３つの光スイッチ、並びに単一のＱＡＳを有する異なる建物内にいるメトロスケールネットワークとして使用されることができる。任意の対のユーザ間の認証は、以前に概説されたプロトコルを使用して可能であり、ここで、ＱＡＳ４０３は、ユーザ間のＰＳＫを確立する。
【0107】
上記の実施形態は、認証用、及び特にＱＫＤにおいて使用するための古典チャネルの認証用のＱＡＳの使用に関する。しかしながら、他の使用、例えば、量子コンピュータ上のセッション、又はネットワークファイルサーバへのアクセスが存在する。ＱＡＳはまた、ユーザがこれらのリソースにアクセスするための認証を提供するために使用されることができ、ここで、ＱＡＳ内にユーザ管理及びアクセス制御を含める能力は、単純なネットワーク管理を可能にする。
【0108】
図７のネットワークは、図６のネットワークに類似のネットワークに関連するが、ファイルサーバ及び量子コンピュータも備える。図７のネットワークは、単一のＱＡＳサーバ５０３を備え、３つのスイッチ５０５、５０６、及び５０７を有し、それは、この例では、３つのユーザノード、アリス５０９、ボブ５１１、及びフランク５１７をサポートする。ネットワークはまた、量子コンピュータ５１５及びファイルサーバ５１３を備える。
【0109】
アリス５０９とボブ５１１は、スイッチ＃１ ５０５に接続され、量子コンピュータ５１５とフランク５１７は、スイッチ＃３ ５０７に接続される。スイッチ＃１ ５０５及びスイッチ＃３ ５０７は、スイッチ＃２ ５０６にも接続されたファイルサーバ５１３と共にスイッチ＃２ ５０６に接続される。この配置は、アリスがスイッチ＃１ ５０５を介してボブと通信することができ、アリスがスイッチ＃１ ５０５及びスイッチ＃２ ５０６を介してＱＡＳ５０３と通信することができることを意味し、それらの両方は、古典通信及びＱＫＤの両方がアリス５０９とＱＡＳ５０３との間で実行されることを可能にするように制御される必要がある。
【0110】
アリス５０９は、スイッチ＃１ ５０５及びスイッチ＃２ ５０６を介してファイルサーバ５１３と通信することができる。ファイルサーバ５１３は、スイッチ＃２ ５０６を介してＱＡＳ５０３と通信することができる。上記の実施形態は、認証用のＰＳＫを使用する使用について議論してきた。しかしながら、図７では、ファイルサーバ５１３は、ＱＡＳでＱＫＤを実行することが可能であり、ＱＡＳは、次いで、アリスとボブとの間の通信に関連して上記で説明されたのと同じ様式で、ＰＳＫをアリス５０９とファイルサーバ５１３の両方に提供することができる。
【0111】
ファイルサーバ５１３は、次いで、ＰＳＫを使用してアリスから受信されたメッセージを認証することができ、アリスは、彼女がファイルサーバ５１３にメッセージを送っていることを保証するために、ファイルサーバ５１３から受信されたメッセージを認証することができ、ファイルサーバ５１３は、アリスからであるとそれが信じる通信がアリスからであることを確実にするために、アリスからのメッセージを認証することができる。
【0112】
アリス５０９はまた、スイッチ＃１ ５０５、スイッチ＃２ ５０６、及びスイッチ＃３ ５０７を介して量子コンピュータ５１５と通信することができる。量子コンピュータ５１５は、スイッチ＃２ ５０６及びスイッチ＃３ ５０７を介してＱＡＳ５０３と通信することができる。上記の実施形態は、認証用のＰＳＫを使用する使用について議論してきた。しかしながら、図７では、量子コンピュータ５１５は、ＱＡＳでＱＫＤを実行することが可能であり、ＱＡＳは、次いで、アリスとボブとの間の通信に関連して上記で説明されたのと同じ様式で、ＰＳＫをアリス５０９と量子コンピュータ５１５の両方に提供することができる。
【0113】
量子コンピュータ５１５は、次いで、ＰＳＫを使用してアリスから受信されたメッセージを認証することができ、アリスは、彼女が量子コンピュータ５１５にメッセージを送っていることを保証するために、量子コンピュータ５１５から受信されたメッセージを認証することができ、量子コンピュータ５１５は、アリスからであるとそれが信じる通信がアリスからであることを確実にするために、アリスからのメッセージを認証することができる。
【0114】
上記は、アリスに関連して説明されてきた。しかしながら、アリス５０９、ボブ５１１、又はフランク５１７のうちのいずれも、ファイルサーバ５１３及び／又は量子コンピュータ５１５と通信することができる。ファイルサーバ５１３及び量子コンピュータ５１５はまた、例えば、量子コンピュータ５１５がファイルサーバ５１３にアクセスする必要がある場合に、互いに認証することを望み得る。
【0115】
ユーザ、例えば、アリスとファイルサーバ５１３又は量子コンピュータ５１５のうちのいずれかとの間の通信は、ＱＡＳ５０３によって共有されているＰＳＫを使用して実行されることができる。他の実施形態では、アリスは、ＱＫＤを使用してファイルサーバ５１３又は量子コンピュータ５１５のうちのいずれかと通信する。これは、アリスが上記で説明されたように量子鍵を確立することによってそれらと通信し（共有ＰＳＫは、古典チャネルを認証するために使用される）、次いで、セッション用の全ての通信が、ＱＡＳからの共有ＰＳＫを使用して暗号化されることを意味する。新しいＰＳＫは、上記で説明されたようにＱＫＤ中に確立された鍵から生成されることができる。
【0116】
ネットワークは、図８において示されるように高度にスケーラブルである。この場合、複数のＱＡＳ８０２、８０３、８０５、及び８０７が、ネットワーク中に含まれる。図８において示される配置は、３つのローカルネットワーク８１３、８１５、及び８１７として見られることができ、それらの各々は、それ自体のＱＡＳ（それぞれ８０３、８０５、及び８０７）を有する。３つのローカルネットワーク８１３、８１５、及び８１７は、「ルート」ＱＡＳ８０２と称されるＱＡＳ８０２に接続される。ルートＱＡＳ８０２並びにローカルＱＡＳ８０３、８０５、及び８０７は、ルートＱＡＳ８０２が階層の頂点にある階層を形成する。
【0117】
この実施形態では、第１のネットワーク８１３は、３つのスイッチ８０９ａ、８０９ｂ、及び８０９ｃを有し、第１のネットワーク８０３の第２のスイッチ８０９ｂは、スイッチ８２１を介して第２のネットワークのＱＡＳ８０５に接続される。スイッチ８２１は、長距離ＱＫＤリンクを介して第１のネットワーク８１３及び第２のネットワーク８１５に接続される。長距離ＱＫＤリンクは、連続光ファイバ又量子リピータを有する光ファイバであり得る。スイッチ８２１もまた、ルートＱＡＳ８０２に接続される。
【0118】
第３のローカルネットワーク８０１は、衛星リンクを介してルートＱＡＳ８０２に接続される。
【0119】
ユーザ、例えば、ユーザ８１１がＱＡＳで別のユーザを認証することを要求すると、要求は、まず、そのローカルＱＡＳ８０３に送られる。このＱＡＳ８０３がそのデータベース中に要求されたユーザ用のＰＳＫを有さない場合、それは、別のＱＡＳに要求を中継することができる（古典インターネットインフラストラクチャのうちのどれくらいが機能するかに類似）。実施形態では、複数のＱＡＳが、ローカルＱＡＳを介してサービスされることができない全ての要求がルートＱＡＳ８０２に送られる階層様式で配置される。ＱＡＳサーバは、長距離ＱＫＤ光ファイバリンク、又は衛星によってさえリンクされ得、ワイドスケール量子ネットワークを可能にし得る。量子リピータは、長距離が達成されることを可能にするために、長距離ＱＫＤリンクにおいて使用され得る。
【0120】
実施形態では、「ルート」ＱＡＳサーバは、ＱＫＤ製造業者においてオンプレミスで操作されることができる。これは、製造業者が全てのその新しい製造されたシステム用のルートＱＡＳにＰＳＫをセキュアにインストールすることを可能にする（製造業者のプレミスが信頼されるセキュアなロケーションであると仮定し、それは、ＱＫＤハードウェアについての一般的な仮定である）。そのシステム用のこのＰＳＫ材料は、次いで、製造業者プレミスから様々なメトロネットワークにＱＫＤリンクを通してリモートメトロネットワークに配送されることができ、それは各々、それら自体のローカルＱＡＳを有する。
【0121】
別の可能な実施形態では、２人のユーザ（又は２つのＱＡＳ）間の中間の信頼されるノードは、それらの間でグローバル鍵を中継するために使用されることができ、ここで、このグローバル鍵は、認証用のＰＳＫとして後に使用されることができる。
【0122】
いくつかの状況下では、全てのユーザにとって、ＱＡＳへの光リンクを形成することは可能ではないことがある。これは、例えば、ネットワーク輻輳（即ち、ビジーな光スイッチ）に起因して、又はユーザがそれらの間に少ないリンクを有するスパースメッシュ中で接続される場合であり得る。
【0123】
図９は、可能な実施形態を示し、ここで、ＱＡＳ９０１は、目標ユーザとのそれ自体のＰＳＫを、それを要求する信頼されるユーザに与えることができる。例えば、アリス９０３はボブ９０５と通信することを望むが、ボブ９０５はＱＡＳ９０１に光学的に接続されることができないネットワークを検討する。
【0124】
この場合、アリス９０３は、ＱＡＳ９０１と彼女自身を認証し、ボブとのＰＳＫを要求する。ＱＡＳは、そのポリシー及びユーザアクセス制御リストをチェックし、許可される場合、アリスにボブと共有するＰＳＫ、ＫBQを送る（ＱＫＤセキュアにされたリンクを通して通信される（即ち、アリスとＱＡＳとの間で生成されたＱＫＤ鍵を使用して暗号化される））。鍵の再使用を回避するために、ＱＡＳは、そのデータベースからＰＳＫを破棄することができる。
【0125】
アリスとボブは、ここで、対称ＰＳＫを共有する。このことから、光スイッチは、それらの間に量子リンクを接続することができ、それらは、ＰＳＫ ＫBQを使用して認証することができる。それらは、このことから、ＱＫＤを実行し、セキュアな通信のために使用するための新しい量子鍵を生成することができる。この実施形態における最後のステップは、いくつかの生成されたＱＫＤ鍵材料が、ボブがＱＡＳを認証するために使用する新しいＰＳＫとしてリザーブされることである。ボブとのＱＫＤを終了した後、アリスは、ＱＡＳと再接続し、ボブと共有された新しいＰＳＫ、ＫBQ’をそれにセキュアに送る。さもなければ、この最後のステップがスキップされる場合、ＱＡＳは、将来のセッションでボブを認証することができないであろう（それがアリスに最初にそのＰＳＫを与えるので）。
【0126】
この実施形態は、セキュアな通信用にユーザ間でより少ない量子リンクが使用されることを必要とするという利益を有する。しかしながら、否定的側面は、プロセスが完了する前にネットワーク障害が発生する場合、ＱＡＳは、ボブとの認証用のＰＳＫなしで離れられる可能性があることである。以前に説明された実施形態は、従って、実際にはよりロバストなアプローチである。しかしながら、我々のアプローチ及び光量子ネットワークスキームが多くのネットワークトポロジ及び使用ケースに適合されることができることを例示するために、この概念も概説してきた。
【0127】
ＱＡＳを通して認証ＰＳＫを確立することによって、ＱＡＳもまたＰＳＫの値を知ることは注目に値する。従って、アリスとボブがＱＡＳによって発行されたＫABを使用して認証する場合、ユーザは、ＱＡＳがアリスとボブとの間のセキュアな通信を読み取るために中間者攻撃を潜在的に実行する可能性があるので、ＱＡＳが信頼されると暗示的に仮定しなければならない。これは、（例えば、ネットワークオペレータ又はＱＫＤ製造業者によって）ＱＡＳが典型的にはセキュアに位置付け及び管理されるであろうことから、合理的な仮定である。
【0128】
図１０は、２つのＱＡＳ９５１及び９５３を有する更なる実施形態を示し、この仮定は、ネットワーク中の２つのＱＡＳ（又はピアツーピアシナリオ中の２つのノード）を使用することによって緩和されることができる。アリスとボブは、ここで、各ＱＡＳからＰＳＫを取得し（以前に概説された方法の後で）、ここで、それぞれＱＡＳサーバ１及び２とのＱＫＤから来るこれらのＰＳＫ Ｋ１AB及びＫ２ABを示す。アリスとボブは、次いで、これらの２つの鍵を使用してＸＯＲ演算を実行することによって、それらの実際のＰＳＫ、ＫABを形成する：
【数1】
【0129】
これは、それらが対称共有鍵を共有するが、ここで、この鍵は、ＱＡＳ１又はＱＡＳ２によって共有されず、これらのサーバのうちのいずれかが危険にさらされた場合に（中間者攻撃に対する）レジリエンスを提供することを意味する。
【0130】
上記の実施形態は、任意のリモートユーザが認証された通信を実行することを可能にし、そのため、彼らは、追加の鍵材料を生成するためのＱＫＤセッションを開始することができる。このＱＫＤ鍵材料は、次いで、任意の大きいデータサイズのセキュア通信のために使用されることができる。我々の発明が、認証システムと、結果として生じる光学的に切り替えられる量子通信ネットワーク設計との両方をカバーすることを提案する。
【0131】
これは、各対のＱＫＤシステムにＰＳＫを手動でインストールする必要性を回避する。上記が、信頼されるクーリエにより各場所において鍵を手動でインストールするよりもむしろ、ネットワークリンクを使用して認証が実行される解決策を提供するためである。
【0132】
認証の実施を大幅に簡略化することに加えて、ＱＡＳシステムは、（ユーザが危険にさらされた場合には取り消しを含む）ユーザアクセス制御リストなどのアクセスポリシーを強制し、鍵メタデータを通した時限セッションを強制さえするための能力などの追加のネットワーク管理特徴を提供する。この概念は、このことから、量子ネットワークに幅広く適用可能であり、認証されたデータ通信のために両方のユーザを接続し、ファイルサーバ、量子計算及び量子感知ノードなどのネットワークサービスに信頼されるアクセス管理を提供する。
【0133】
上記の実施形態は、量子ネットワーク上のユーザが、認証鍵の手動インストールなしにセキュアに通信することを可能にする。
【0134】
更に、それらは、ネットワーク用のスケーラブルな設計、及び大きい地理的エリア上のネットワークのうちのネットワークさえ提供する（様々なＱＫＤプロトコル、例えば、長距離又は衛星ＱＫＤ用のＴＦ－ＱＫＤと互換性がある）。上記のネットワークは、自由空間及び光ファイバ通信チャネルと互換性がある。更に、概念の様々な実施形態が可能であり、多様なネットワークトポロジをサポートする。
【0135】
更に、上記はまた、ネットワーク管理及びユーザ管理の特徴、並びに複数のＰＳＫのＸＯＲを介した、危険にさらされた権限サーバの思いもよらないイベントに対するロバストネスをサポートするための能力を提供する。認証への古典／ＰＱＣアプローチと比較すると、上記の実施形態は、暗号解読における進歩及び量子コンピュータによる暗号攻撃に対してロバストである。
【0136】
ある特定の実施形態が説明されたが、これらの実施形態は、例としてのみ提示されており、発明の範囲を限定することを意図されない。実際に、本明細書に説明された、新規のデバイス及び方法は、様々な他の形式で具現化され得、更に、本明細書に説明されたデバイス、方法、及び製品の形式における様々な省略、置換、及び変更が、本発明の趣旨から逸脱することなく行われ得る。添付の特許請求の範囲及びそれらの同等物は、本発明の範囲及び趣旨内にあるような形式及び修正をカバーすることを意図される。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
