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(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】P2024048893
(43)【公開日】2024-04-09
(54)【発明の名称】量子暗号通信システム、その通信装置および通信制御方法
(51)【国際特許分類】
H04L 9/12 20060101AFI20240402BHJP
H04B 10/70 20130101ALI20240402BHJP
H04B 10/60 20130101ALI20240402BHJP
H04B 10/50 20130101ALN20240402BHJP
H04B 10/077 20130101ALN20240402BHJP
H04B 10/11 20130101ALN20240402BHJP
【ＦＩ】
H04L9/12
H04B10/70
H04B10/60
H04B10/50
H04B10/077 150
H04B10/11
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022155038
(22)【出願日】2022-09-28
(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】今井 浩
【テーマコード（参考）】
5K102
【Ｆターム（参考）】
5K102AB11
5K102AH18
5K102AH27
5K102AL23
5K102LA13
5K102LA21
5K102LA33
5K102LA52
5K102MA01
5K102MA02
5K102MB02
5K102MB04
5K102MB05
5K102MD01
5K102MD02
5K102MD03
5K102MD04
5K102MH03
5K102MH19
5K102MH22
5K102PH11
5K102PH22
5K102PH24
5K102PH31
5K102PH42
5K102PH49
5K102RB02
(57)【要約】 （修正有）
【課題】環境の変化により光の伝播特性が影響を受けやすい光伝送路を用いた場合でもホモダイン検出におけるＳＮ比の改善及び信号出力の安定化を達成する量子暗号通信システム、通信装置、通信制御方法及びプログラムを提供する。
【解決手段】量子暗号通信システムでは、環境の変化により光の伝搬特性が変化する自由空間光伝送路Ｃを通して送信機と受信機とが光学的に接続される。送信機は、コヒーレント光から量子状態を有する微弱な信号光Ｑと、量子状態を有しない参照光ＬＯと、所定強度のプローブ光ＳＰと、を光伝送路へ送出する。受信機は、受信信号光及び受信参照光を受信し、受信参照光を増幅し、増幅された受信参照光と受信信号光の差分に基づき信号出力Ｉｏｕｔをホモダイン検出により生成し、プローブ光受信部がプローブ光を受信すると、減衰率計算部が受信プローブ光の減衰率を計算し、光増幅器制御部が減衰率に応じて受信参照光の増幅率を制御する。
【選択図】図１
【解決手段】量子暗号通信システムでは、環境の変化により光の伝搬特性が変化する自由空間光伝送路Ｃを通して送信機と受信機とが光学的に接続される。送信機は、コヒーレント光から量子状態を有する微弱な信号光Ｑと、量子状態を有しない参照光ＬＯと、所定強度のプローブ光ＳＰと、を光伝送路へ送出する。受信機は、受信信号光及び受信参照光を受信し、受信参照光を増幅し、増幅された受信参照光と受信信号光の差分に基づき信号出力Ｉｏｕｔをホモダイン検出により生成し、プローブ光受信部がプローブ光を受信すると、減衰率計算部が受信プローブ光の減衰率を計算し、光増幅器制御部が減衰率に応じて受信参照光の増幅率を制御する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
送信機と受信機とからなる量子暗号通信システムであって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と前記受信機とが光学的に接続され、
前記送信機が、
コヒーレント光から量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを生成し、前記信号光と前記参照光とを前記光伝送路へ送出する光送信部と、
所定強度のプローブ光を前記光伝送路へ送出するプローブ光送信部と、
を備え、
前記受信機が、
前記送信機から前記光伝送路を通して到達した受信信号光および受信参照光を受信する光受信部と、
前記受信参照光を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器により増幅された前記受信参照光と前記受信信号光とに基づいて信号出力を生成するホモダイン検出器と、
前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信するプローブ光受信部と、
前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する光増幅器制御部と、
を備えたことを特徴とする量子暗号通信システム。
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と前記受信機とが光学的に接続され、
前記送信機が、
コヒーレント光から量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを生成し、前記信号光と前記参照光とを前記光伝送路へ送出する光送信部と、
所定強度のプローブ光を前記光伝送路へ送出するプローブ光送信部と、
を備え、
前記受信機が、
前記送信機から前記光伝送路を通して到達した受信信号光および受信参照光を受信する光受信部と、
前記受信参照光を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器により増幅された前記受信参照光と前記受信信号光とに基づいて信号出力を生成するホモダイン検出器と、
前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信するプローブ光受信部と、
前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する光増幅器制御部と、
を備えたことを特徴とする量子暗号通信システム。
【請求項2】
前記プローブ光送信部は所定周期のタイミングで前記プローブ光を送出し、
前記光増幅器制御部は、前記タイミングで受信した受信プローブ光を用いて減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信システム。
前記光増幅器制御部は、前記タイミングで受信した受信プローブ光を用いて減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信システム。
【請求項3】
前記送信機は前記コヒーレント光の強度およびパルス幅を制御するパルス変調制御部をさらに有し、
前記パルス変調制御部が前記受信機から前記減衰率を受信し、前記減衰率に応じて前記コヒーレント光の強度およびパルス幅を制御する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の量子暗号通信システム。
前記パルス変調制御部が前記受信機から前記減衰率を受信し、前記減衰率に応じて前記コヒーレント光の強度およびパルス幅を制御する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の量子暗号通信システム。
【請求項4】
前記送信機の前記光送信部および前記プローブ光送信部とは送信光学系を共有し、前記受信機の前記光受信部および前記プローブ光受信部とは受信光学系を共有し、前記送信光学系と前記受信光学系とは互いに光軸が一致しており、前記光伝送路が前記送信光学系と前記受信光学系との間の自由空間であることを特徴とする請求項１または２に記載の量子暗号通信システム。
【請求項5】
量子暗号通信システムにおいてホモダイン検出により信号出力を取得する通信装置であって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して送信側の通信装置と光学的に接続され、前記送信側の通信装置でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを前記光伝送路を通して受信する光受信部と、
前記光受信部で受信した受信参照光を増幅する光増幅器と、
前記光受信部で受信した受信信号光と前記光増幅器により増幅された受信参照光とに基づいて信号出力を生成するホモダイン検出器と、
前記送信側の通信装置から前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信するプローブ光受信部と、
前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する光増幅器制御部と、
を備えたことを特徴とする通信装置。
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して送信側の通信装置と光学的に接続され、前記送信側の通信装置でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを前記光伝送路を通して受信する光受信部と、
前記光受信部で受信した受信参照光を増幅する光増幅器と、
前記光受信部で受信した受信信号光と前記光増幅器により増幅された受信参照光とに基づいて信号出力を生成するホモダイン検出器と、
前記送信側の通信装置から前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信するプローブ光受信部と、
前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する光増幅器制御部と、
を備えたことを特徴とする通信装置。
【請求項6】
前記光増幅器制御部は、前記送信側の通信装置から所定周期のタイミングで受信する受信プローブ光を用いて減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する、
ことを特徴とする請求項５に記載の通信装置。
ことを特徴とする請求項５に記載の通信装置。
【請求項7】
前記光受信部と前記プローブ光受信部とが共有する受信光学系をさらに有し、前記受信光学系が前記送信側の通信装置に設けられた送信光学系と光軸が一致しており、前記光伝送路が前記送信光学系と前記受信光学系との間の自由空間であることを特徴とする請求項５または６に記載の通信装置。
【請求項8】
送信機と受信機とからなる量子暗号通信システムにおける通信制御方法であって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と前記受信機とが光学的に接続され、
前記送信機は、
光送信部がコヒーレント光から量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを生成して前記信号光と前記参照光とを前記光伝送路へ送出し、
プローブ光送信部が所定強度のプローブ光を前記光伝送路へ送出し、
前記受信機は、
受信手段が前記送信機から前記光伝送路を通して到達した受信信号光および受信参照光と前記プローブ光とを受信し、
制御手段が前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記受信参照光を増幅する増幅率を制御し、
検出手段が前記増幅された受信参照光と前記受信信号光とに基づいてホモダイン検出により信号出力を生成する、
ことを特徴とする量子暗号通信システムにおける通信制御方法。
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と前記受信機とが光学的に接続され、
前記送信機は、
光送信部がコヒーレント光から量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを生成して前記信号光と前記参照光とを前記光伝送路へ送出し、
プローブ光送信部が所定強度のプローブ光を前記光伝送路へ送出し、
前記受信機は、
受信手段が前記送信機から前記光伝送路を通して到達した受信信号光および受信参照光と前記プローブ光とを受信し、
制御手段が前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記受信参照光を増幅する増幅率を制御し、
検出手段が前記増幅された受信参照光と前記受信信号光とに基づいてホモダイン検出により信号出力を生成する、
ことを特徴とする量子暗号通信システムにおける通信制御方法。
【請求項9】
送信機と受信機とからなる量子暗号通信システムにおける前記受信機の通信制御方法であって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と光学的に接続され、
受信手段が、前記送信機でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光と、プローブ光とを前記送信機から前記光伝送路を通して受信し、
制御手段が前記受信されたプローブ光の送信側プローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記受信参照光を増幅する増幅率を制御し、
検出手段が前記増幅された受信参照光と前記受信信号光とに基づいてホモダイン検出により信号出力を生成する、
ことを特徴とする受信機の通信制御方法。
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と光学的に接続され、
受信手段が、前記送信機でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光と、プローブ光とを前記送信機から前記光伝送路を通して受信し、
制御手段が前記受信されたプローブ光の送信側プローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記受信参照光を増幅する増幅率を制御し、
検出手段が前記増幅された受信参照光と前記受信信号光とに基づいてホモダイン検出により信号出力を生成する、
ことを特徴とする受信機の通信制御方法。
【請求項10】
量子暗号通信システムにおいてホモダイン検出により信号出力を取得する通信装置としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して送信側の通信装置と光学的に接続された光受信部が、前記送信側の通信装置でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを前記光伝送路を通して受信する機能と、
光増幅器が前記光受信部で受信した受信参照光を増幅する機能と、
ホモダイン検出器が前記光受信部で受信した受信信号光と前記光増幅器により増幅された受信参照光とに基づいて信号出力を生成する機能と、
プローブ光受信部が前記送信側の通信装置から前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信する機能と、
光増幅器制御部が前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する機能と、
を前記コンピュータで実現することを特徴とするプログラム。
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して送信側の通信装置と光学的に接続された光受信部が、前記送信側の通信装置でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを前記光伝送路を通して受信する機能と、
光増幅器が前記光受信部で受信した受信参照光を増幅する機能と、
ホモダイン検出器が前記光受信部で受信した受信信号光と前記光増幅器により増幅された受信参照光とに基づいて信号出力を生成する機能と、
プローブ光受信部が前記送信側の通信装置から前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信する機能と、
光増幅器制御部が前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する機能と、
を前記コンピュータで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】
本発明は量子暗号通信システムに係り、特に量子暗号通信により暗号鍵を共有する通信装置およびその通信制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
光通信の分野において、量子暗号鍵配付(ＱＫＤ)システムは伝送路の高秘匿性を実現するものとして盛んに研究され実用化されつつある。このようなＱＫＤシステムにおいて、近年、光子単位の離散量ではなく、光の直交位相振幅(quadrature-phase amplitude)のような連続量を用いた連続量ＱＫＤが提案されている。特に受信側で直交位相振幅を測定するホモダイン検出は、通常のフォトダイオードを室温で用いても量子雑音限界の測定が可能となり高い量子効率を達成できるとして注目されている（特許文献１）。
【0003】
特許文献１によれば、連続量ＱＫＤでは、送信者（Ａｌｉｃｅ）端末でレーザ光をビームスプリッタにより参照光（以下、ＬＯ（局部発振）光という。）と信号光とに分割し、ＬＯ光とランダムに位相変調された微弱な信号光とを受信者（Ｂｏｂ）端末へ送信する。受信者端末では、到達したＬＯ光をランダムに位相変調した後、そのＬＯ光と同じく到達した微弱な信号光とをビームスプリッタを通して２つの光検出器で検出する。このホモダイン検出により送信側で位相変調された信号光の位相情報を取り出すことができる。
【0004】
このときホモダイン検出後の信号光のレベル平均値は、信号光の光子数をｎ１、ＬＯ光の光子数をｎ０とすれば、上述の特許文献１に記載されているように、２√ｎ１√ｎ０となる。光ファイバの伝送損失は０．２ｄＢ／ｋｍ以上なので、伝送距離５０ｋｍでは１０ｄＢ、すなわち光パワーが１／１０に、伝送距離１００ｋｍでは１／１００に減衰する。したがって、ホモダイン検出後の信号レベルも同様に伝送距離５０ｋｍ、１００ｋｍでは、それぞれ１／１０、１／１００以下となる。
【0005】
このような信号レベルの減衰はホモダイン検出におけるＳＮ比を劣化させる。ＳＮ比の劣化を防止するには、信号レベルを上昇させる必要があるが、伝送路に光増幅器を設ける対策では信号光も増幅され暗号鍵の情報に影響を与えるために採用できない。また送信者端末のレーザ出力を増大させてもよいが、レーザ出力の増大で上記信号レベルの減衰を補おうとすると、たとえばレーザ光源を１０ｍＷ（クラス１）から１Ｗ（クラス４）へ大幅に高める必要があり、装置の大型化、光学部品の耐久性の問題、および伝送時の安全性の低下を招来し実用的ではない（レーザのクラスは１．５μｍ帯の場合）。
【0006】
そこで、特許文献２では、ホモダイン検出におけるＳＮ比を向上させるために受信者端末でＬＯ光だけを増幅する構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０００－１０１５７０号公報
【特許文献2】特開２００７－２６６７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、上記特許文献２では、ホモダイン検出におけるＳＮ比を向上させるためにＬＯ光を増幅すると記載されているだけであり、ＳＮ比向上という目的を達成するためにどのような増幅制御を行うかは記載されていない。
【0009】
またホモダイン検出におけるＳＮ比の向上だけでなく、ＬＯ光と信号光とに基づいて得られる信号出力レベルの安定性も重要である。上記特許文献２では、増幅されたＬＯ光を利用して位相変調処理のタイミング制御を行う。このためにタイミング制御の高精度化は達成できるとしても、安定したレベルの信号出力を得ることができない。
【0010】
さらに、上述した特許文献１および２では、光伝送路として光ファイバを用いたシステムが前提とされている。このために、光ファイバよりも減衰率が大きく伝搬特性が環境の影響を受けやすい光伝送路の場合、十分なＳＮ比および出力の安定性を期待することができない。たとえば自由空間を光伝送路として利用する場合、空中の水蒸気量、温度変化による空気密度の局所的な変動等を考慮する必要がある。
【0011】
そこで、本発明の目的は、環境の変化により光の伝搬特性が影響を受けやすい光伝送路を用いた場合でもホモダイン検出におけるＳＮ比の改善および信号出力の安定化を達成できる量子暗号通信システム、その通信装置および通信制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の一態様による量子暗号通信システムは、送信機と受信機とからなる量子暗号通信システムであって、環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と前記受信機とが光学的に接続され、前記送信機が、コヒーレント光から量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを生成し、前記信号光と前記参照光とを前記光伝送路へ送出する光送信部と、所定強度のプローブ光を前記光伝送路へ送出するプローブ光送信部と、を備え、前記受信機が、前記送信機から前記光伝送路を通して到達した受信信号光および受信参照光を受信する光受信部と、前記受信参照光を増幅する光増幅器と、前記光増幅器により増幅された前記受信参照光と前記受信信号光とに基づいて信号出力を生成するホモダイン検出器と、前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信するプローブ光受信部と、前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する光増幅器制御部と、を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様による通信装置は、量子暗号通信システムにおいてホモダイン検出により信号出力を取得する通信装置であって、環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して送信側の通信装置と光学的に接続され、前記送信側の通信装置でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを前記光伝送路を通して受信する光受信部と、前記光受信部で受信した受信参照光を増幅する光増幅器と、前記光受信部で受信した受信信号光と前記光増幅器により増幅された受信参照光とに基づいて信号出力を生成するホモダイン検出器と、前記送信側の通信装置から前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信するプローブ光受信部と、前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する光増幅器制御部と、を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様による通信装置の制御方法は、送信機と受信機とからなる量子暗号通信システムにおける通信制御方法であって、環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と前記受信機とが光学的に接続され、前記送信機は、光送信部がコヒーレント光から量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを生成して前記信号光と前記参照光とを前記光伝送路へ送出し、プローブ光送信部が所定強度のプローブ光を前記光伝送路へ送出し、前記受信機は、受信手段が前記送信機から前記光伝送路を通して到達した受信信号光および受信参照光と前記プローブ光とを受信し、制御手段が前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記受信参照光を増幅する増幅率を制御し、検出手段が前記増幅された受信参照光と前記受信信号光とに基づいてホモダイン検出により信号出力を生成する、ことを特徴とする。
本発明の一態様による通信装置の制御方法は、送信機と受信機とからなる量子暗号通信システムにおける前記受信機の通信制御方法であって、環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と光学的に接続され、受信手段が、前記送信機でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光と、プローブ光とを前記送信機から前記光伝送路を通して受信し、制御手段が前記受信されたプローブ光の送信側プローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記受信参照光を増幅する増幅率を制御し、検出手段が前記増幅された受信参照光と前記受信信号光とに基づいてホモダイン検出により信号出力を生成する、ことを特徴とする。
本発明の一態様による通信装置は、量子暗号通信システムにおいてホモダイン検出により信号出力を取得する通信装置であって、環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して送信側の通信装置と光学的に接続され、前記送信側の通信装置でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを前記光伝送路を通して受信する光受信部と、前記光受信部で受信した受信参照光を増幅する光増幅器と、前記光受信部で受信した受信信号光と前記光増幅器により増幅された受信参照光とに基づいて信号出力を生成するホモダイン検出器と、前記送信側の通信装置から前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信するプローブ光受信部と、前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する光増幅器制御部と、を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様による通信装置の制御方法は、送信機と受信機とからなる量子暗号通信システムにおける通信制御方法であって、環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と前記受信機とが光学的に接続され、前記送信機は、光送信部がコヒーレント光から量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを生成して前記信号光と前記参照光とを前記光伝送路へ送出し、プローブ光送信部が所定強度のプローブ光を前記光伝送路へ送出し、前記受信機は、受信手段が前記送信機から前記光伝送路を通して到達した受信信号光および受信参照光と前記プローブ光とを受信し、制御手段が前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記受信参照光を増幅する増幅率を制御し、検出手段が前記増幅された受信参照光と前記受信信号光とに基づいてホモダイン検出により信号出力を生成する、ことを特徴とする。
本発明の一態様による通信装置の制御方法は、送信機と受信機とからなる量子暗号通信システムにおける前記受信機の通信制御方法であって、環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と光学的に接続され、受信手段が、前記送信機でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光と、プローブ光とを前記送信機から前記光伝送路を通して受信し、制御手段が前記受信されたプローブ光の送信側プローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記受信参照光を増幅する増幅率を制御し、検出手段が前記増幅された受信参照光と前記受信信号光とに基づいてホモダイン検出により信号出力を生成する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、環境の変化により光の伝搬特性が影響を受けやすい光伝送路を用いた量子暗号通信システムであっても、ホモダイン検出におけるＳＮ比の改善および信号出力の安定化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
＜実施形態の概要＞
以下、環境の影響を受けやすい光伝送路として自由空間を例示する。本発明の実施形態による量子暗号通信システムでは、送信機は量子状態を有する微弱な信号光と量子状態のない通常強度の参照光とを自由空間を通して受信機へ送信する。受信機は受信した参照光だけを増幅する光増幅器を有し、受信した信号光と増幅された参照光とからホモダイン方式により信号情報を検出する。
以下、環境の影響を受けやすい光伝送路として自由空間を例示する。本発明の実施形態による量子暗号通信システムでは、送信機は量子状態を有する微弱な信号光と量子状態のない通常強度の参照光とを自由空間を通して受信機へ送信する。受信機は受信した参照光だけを増幅する光増幅器を有し、受信した信号光と増幅された参照光とからホモダイン方式により信号情報を検出する。
【0016】
さらに送信機は同じ自由空間を通して受信機へプローブ光を送信する。受信機はプローブ光を受信し、受信プローブ光から自由空間でのレーザ光の伝搬特性を計測する。自由空間のような環境の影響を受けやすい光伝送路では、距離とともに光強度がどのように減衰するかを示す減衰特性が重要である。本実施形態では、伝搬特性として減衰の程度を示す減衰率を計測する。減衰率は送信時のプローブ光の強度と受信時のプローブ光の強度とから計算することができる。
【0017】
本実施形態によれば、減衰率に従って参照光の増幅率を制御する。これによりホモダイン検出された信号レベルを所定範囲に維持することができる。減衰率が大きく環境の影響を受けやすい光伝送路の場合であっても、ホモダイン検出におけるＳＮ比の改善および信号出力の安定化が達成される。
【0018】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下の実施形態および実施例に記載されている構成要素は単なる例示であって、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨ではない。
【0019】
１．第１実施形態
図１において、送信機（Ａｌｉｃｅ）を含む通信装置と受信機（Ｂｏｂ）を含む通信装置とは、それらの間で生成された量子暗号鍵を用いて暗号通信を行うことができる。ここでは送信機（Ａｌｉｃｅ）と受信機（Ｂｏｂ）とが自由空間伝送路Ｃにより光学的に接続されているものとする。自由空間伝送路Ｃは自由空間を光伝送路として使用する。自由空間伝送路Ｃは、送信側に送信光学系を、受信側に受信光学系をそれぞれ設けるだけで光通信が可能となり、光ケーブル等の設備コストを抑制できる。反面、自由空間伝送路Ｃは気温や湿度等の環境により伝送損失が生じやすくなり、また変動しやすくなる。以下に詳述する本実施形態では、このような環境に起因する損失を相殺する調整手段が設けられる。
図１において、送信機（Ａｌｉｃｅ）を含む通信装置と受信機（Ｂｏｂ）を含む通信装置とは、それらの間で生成された量子暗号鍵を用いて暗号通信を行うことができる。ここでは送信機（Ａｌｉｃｅ）と受信機（Ｂｏｂ）とが自由空間伝送路Ｃにより光学的に接続されているものとする。自由空間伝送路Ｃは自由空間を光伝送路として使用する。自由空間伝送路Ｃは、送信側に送信光学系を、受信側に受信光学系をそれぞれ設けるだけで光通信が可能となり、光ケーブル等の設備コストを抑制できる。反面、自由空間伝送路Ｃは気温や湿度等の環境により伝送損失が生じやすくなり、また変動しやすくなる。以下に詳述する本実施形態では、このような環境に起因する損失を相殺する調整手段が設けられる。
【0020】
送信機（Ａｌｉｃｅ）はレーザ光源１０、ビームスプリッタＢＳ１、位相変調器１１、減衰器１２、ミラーＭ１およびレーザ光源１３を有する。レーザ光源１０および１３は異なる波長のレーザ光を発光する。ここではレーザ光源１０の発振波長をλ１、レーザ光源１３の発振波長をλ２とする。
【0021】
レーザ光源１０はコヒーレント光を発生し、ビームスプリッタＢＳ１がコヒーレント光を２つの経路Ｒ１およびＲ２の光に分割する。一方の経路Ｒ１の光は、位相変調器１１により位相変調され、さらに減衰器１２により量子状態を有する微弱な信号光Ｑとなって自由空間伝送路Ｃへ送出される。他方の経路Ｒ２の光はミラーＭ１で反射され、量子状態のない通常の強度を有する参照光ＬＯとして自由空間伝送路Ｃへ送出される。上述した特許文献１に記載されているように、参照光ＬＯの強度は信号光Ｑより著しく大きく、たとえば信号光Ｑが光子１個程度の強度であるのに対し、参照光ＬＯは光子１０００万個程度の強度である。
【0022】
レーザ光源１３はコヒーレント光を発生し、それをプローブ光Ｓｐとして自由空間伝送路Ｃへ送出する。プローブ光Ｓｐは、後述するように自由空間伝送路Ｃでの光減衰率を計測するための所定強度のレーザ光である。送信機（Ａｌｉｃｅ）から送信されるプローブ光Ｓｐは、受信機（Ｂｏｂ）で確実に検出できる強度に予め設定され、本実施形態では送信機（Ａｌｉｃｅ）から送信される参照光ＬＯと同等かそれ以上の強度を有する。
【0023】
受信機（Ｂｏｂ）は、光増幅器１４、位相変調器１５、ミラーＭ２、ビームスプリッタＢＳ２、２つの光検出器ＰＤ１およびＰＤ２、および差分演算器１６を有し、さらにプローブ光受信部１７、減衰率計算部１８および光増幅器制御部１９を有する。
【0024】
光増幅器１４は送信機（Ａｌｉｃｅ）から到達した受信参照光ＬＯを波長および位相を維持したまま光増幅する。位相変調器１５は光増幅された受信参照光ＬＯを位相変調し、位相変調された受信参照光ＬＯがビームスプリッタＢＳ２へ入射する。また送信機（Ａｌｉｃｅ）から到達した受信信号光ＱはミラーＭ２により反射されビームスプリッタＢＳ２へ入射する。ビームスプリッタＢＳ２は光の透過率と反射率とが等しく、位相変調された受信参照光ＬＯとミラーＭ２で反射した受信信号光Ｑとが重ねて入力する。言い換えれば、送信機（Ａｌｉｃｅ）のビームスプリッタＢＳ１と受信機（Ｂｏｂ）のビームスプリッタＢＳ２とは２つの等しい長さの経路Ｒ１およびＲ２からなるひとつの干渉計を構成している。
【0025】
ビームスプリッタＢＳ２の２つの出力光はそれぞれ光検出器ＰＤ１、ＰＤ２へ入射して電気信号に変換される。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１６で差分演算される。差分演算部１６の演算結果である差信号はホモダイン検出により得られる信号出力Ｉｏｕｔとなる。なお、光検出器ＰＤ１、ＰＤ２は通常のフォトダイオードを室温で用いることができる。
【0026】
プローブ光受信部１７は送信機（Ａｌｉｃｅ）から自由空間伝送路Ｃを通して届いたプローブ光Ｓｐを受光し、その受信強度を電気信号に変換して減衰率計算部１８へ出力する。プローブ光受信部１７は通常のフォトダイオードを室温で用いることができる。減衰率計算部１８は、送信機（Ａｌｉｃｅ）から送信されたプローブ光Ｓｐの所定強度とプローブ光受信部１７で受光されたプローブ光Ｓｐの受信強度とからプローブ光の減衰率（１－γ）を計算し、光増幅器制御部１９へ出力する。ここでγは、プローブ光Ｓｐの所定強度に対するプローブ光受信部１７で受光されたプローブ光Ｓｐの受信強度の割合である透過率である。
【0027】
光増幅器制御部１９は光増幅器１４の増幅率を減衰率（１－γ）に応じて制御し、信号出力Ｉｏｕｔの信号レベルが所定範囲に維持されるように受信参照光ＬＯを増幅する。光増幅器制御部１７は、減衰率（１－γ）が大きくなるに従って光増幅器１４の増幅率を所定値に対して上昇させ、減衰率（１－γ）が小さくなるに従って光増幅器１４の増幅率を所定値に対して下降させる。これにより環境に起因する減衰率の変化を相殺して信号出力Ｉｏｕｔの信号レベルを維持することができる。このように受信参照光ＬＯが減衰率（１－γ）に応じて光増幅器１４により増幅されるので信号出力Ｉｏｕｔの信号レベルが上昇し、信号出力ＩｏｕｔのＳＮ比が改善する。さらに減衰率（１－γ）に応じて光増幅器１４の増幅率を制御することで信号出力Ｉｏｕｔの安定性を改善することができる。
【0028】
減衰率（１－γ）に対して光増幅器１４の増幅率をどの程度に設定するかについては予め用意した関数あるいはテーブルを用いることができる。すなわち、予め実験的に得られた関数を用意し増幅率を減衰率（１－γ）の関数として計算してもよい。あるいは予め実験的に得られた減衰率（１－γ）と増幅率との対応テーブルを用いて減衰率（１－γ）に対する光増幅器１４の増幅率を求めてもよい。
【0029】
なお、光増幅器１４としては、送信機（Ａｌｉｃｅ）から届いた受信参照光ＬＯを、そのまま光の波長および位相を維持して増幅し、かつ増幅率（利得）が制御可能な光増幅器を使用する。このような光増幅器１４としては、たとえばエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ: Erbium-Doped Fiber Amplifier）あるいは半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）などを用いることができる。光増幅器１４にＥＤＦＡを採用した場合、励起光に対する増幅効率が８０％以上という高効率で受信参照光ＬＯを増幅することができる。また励起光の光源であるレーザに供給する電流を制御することでＥＤＦＡの光増幅率を制御できる。光増幅器１４がＳＯＡの場合には、ＳＯＡに供給する電流により増幅率を制御可能である。
【0030】
以上述べたように、本発明の第１実施形態によれば、プローブ光Ｓｐを用いて減衰率（１－γ）を計算することで、送信機（Ａｌｉｃｅ）から受信機（Ｂｏｂ）までの伝送損失および環境変動による損失の変化を検出することができる。この減衰率（１－γ）に従って光増幅器１４の増幅率を制御することにより、ホモダイン検出により得られた信号出力ＩｏｕｔのＳＮ比および出力安定性を改善することができる。
【0031】
たとえば、図２Ａに例示するように、自由空間伝送路Ｃの伝送損失が大きく信号出力レベルＬｏｕｔが低いと、光検出器ＰＤ１およびＰＤ２の雑音レベルに対する信号出力レベルＬｏｕｔの割合（ＳＮ比）が低くなる。これに対して本実施形態によれば、プローブ光Ｓｐを用いて算出された減衰率（１－γ）に応じて光増幅器１３の増幅率を制御する。これにより図２Ｂに示すように信号出力レベルＬｏｕｔを所定のＳＮ比に対応する閾値ＬＴＨ以上に維持することができる。したがって自由空間伝送路Ｃの伝送損失が大きい場合でも、レーザ光源１０のパワーを上げたり自由空間伝送路Ｃに光増幅器を介在させたりすることなく、受信側のホモダイン検出におけるＳＮ比を改善することができる。
【0032】
さらにプローブ光Ｓｐの受信強度から算出された減衰率（１－γ）を用いて光信号出力レベルＬｏｕｔを所定範囲内に維持することができるので信号出力Ｉｏｕｔの安定化を達成できる。また、量子暗号通信の不正傍受を検出した時に光スイッチを用いるなどして自由空間伝送路Ｃを切り替えた場合、切り替え前後の伝送損失の違いにも対応が可能である。
【0033】
２．第１実施例
以下、本発明の第１実施例として、信号光Ｑ、参照光ＬＯおよびプローブ光Ｓｐを自由空間伝送路を通して送信するシステムについて説明する。図３Ａおよび図３Ｂに示す通信システムは、上述した第１実施形態に従った一例である。
以下、本発明の第１実施例として、信号光Ｑ、参照光ＬＯおよびプローブ光Ｓｐを自由空間伝送路を通して送信するシステムについて説明する。図３Ａおよび図３Ｂに示す通信システムは、上述した第１実施形態に従った一例である。
【0034】
図３Ａおよび図３Ｂに例示するように、本発明の第１実施例による量子暗号通信システムは送信機（Ａｌｉｃｅ）を含む通信装置１００と受信機（Ｂｏｂ）を含む通信装置２００からなり、送信機（Ａｌｉｃｅ）と受信機（Ｂｏｂ）とが自由空間３００を光伝送路として光学的に接続されている。
【0035】
２．１）送信機
図３Ａにおいて、通信装置１００の送信機（Ａｌｉｃｅ）は信号光学系、プローブ光学系、送信光学系１１０および制御部１２０を有する。信号光学系は、レーザ光源１０１、無偏光ビームスプリッタ（ＢＳ）１０２、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０３、ミラー１０４、半波長板１０５、減衰器１０６、位相変調器１０７およびミラー１０８を含む。後述するように、信号光学系はレーザ光源１０１の出力パルスＰから偏光面が互いに直交し時間的に分離した参照光パルスＰＬＯおよび信号光パルスＰＱを生成する。参照光パルスＰＬＯおよび信号光パルスＰＱは送信光学系１１０を通して自由空間３００へ送出される。
図３Ａにおいて、通信装置１００の送信機（Ａｌｉｃｅ）は信号光学系、プローブ光学系、送信光学系１１０および制御部１２０を有する。信号光学系は、レーザ光源１０１、無偏光ビームスプリッタ（ＢＳ）１０２、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０３、ミラー１０４、半波長板１０５、減衰器１０６、位相変調器１０７およびミラー１０８を含む。後述するように、信号光学系はレーザ光源１０１の出力パルスＰから偏光面が互いに直交し時間的に分離した参照光パルスＰＬＯおよび信号光パルスＰＱを生成する。参照光パルスＰＬＯおよび信号光パルスＰＱは送信光学系１１０を通して自由空間３００へ送出される。
【0036】
プローブ光学系はレーザ光源１１１を含み、レーザ光源１１１は、レーザ光源１０１と同様に直線偏光のレーザ光プローブ光Ｓｐを出射し、これをプローブ光Ｓｐとして送信光学系１１０を通して自由空間３００へ送出する。プローブ光Ｓｐは所定パルス幅のパルス光あるいは一定時間持続するレーザ光である。なお、レーザ光源１０１は波長λ１のレーザ光を出力し、レーザ光源１１１は波長λ１とは異なる波長λ２のレーザ光を出力する。
【0037】
送信光学系１１０は、ビームエクスパンダ１２１、１２２およびダイクロイックミラー（ＤＭ）１２３を含む。ビームエクスパンダは入力ポートの光ファイバから入力した光ビームをそれより大きい直径のコリメート光ビームに変換する光学素子である。ダイクロイックミラー（ＤＭ）は特定波長領域の光を透過し、その他の波長領域の光を反射する光学素子である。本実施形態におけるＤＭ１２３は、波長λ１の光を透過し、その他の波長（λ２を含む）の光を反射するように構成されている。
【0038】
ビームエクスパンダ１２１および１２２はそれらの光軸により規定される平面上で、それらの光軸が直交するように配置される。ＤＭ１２３は、ビームエクスパンダ１２１の出射光の進行方向に対して反時計回りに４５°傾斜し、ビームエクスパンダ１２２の出射光の進行方向に対して時計回りに４５°傾斜した姿勢で配置される。したがって、ビームエクスパンダ１２１から出射する波長λ１の光はＤＭ１２３を透過して所定方向の自由空間３００へ送出され、ビームエクスパンダ１２２から出射する波長λ２の光はＤＭ１２３で反射して同じ方向の自由空間３００へ放出される。
【0039】
制御部１２０は、レーザ光源１０１、減衰器１０６および位相変調器１０７を制御し、上述した参照光パルスＰＬＯおよび信号光パルスＰＱを生成する。また制御部１２０はレーザ光源１１１を制御し、所定周期のタイミングあるいは所望のタイミングでプローブ光Ｓｐを出力させることができる。
【0040】
レーザ光源１０１は波長λ１で直線偏光の光パルスＰを無偏光ビームスプリッタ１０２の入力ポートへ出力する。光パルスＰは無偏光ビームスプリッタ１０２により２分割され、一方の光パルスが参照光側の経路ＲＬＯへ、他方の光パルスが信号光側の経路ＲＱへそれぞれ送出される。参照光側の経路ＲＬＯの光パルスはそのまま偏光ビームスプリッタ１０３を透過し、量子状態を持たない通常強度の参照光パルスＰＬＯとして送信光学系１１０のビームエクスパンダ１２１に入射する。
【0041】
信号光側の経路ＲＱは、ミラー１０４、半波長板１０５、減衰器１０６、位相変調器１０７およびミラー１０８からなり、参照光側の経路ＲＬＯより長い光路を有する。半波長板１０５は経路ＲＱの光パルスの偏光面を９０度回転させ、減衰器１０６はその光パルスを量子状態を有する微弱光に減衰させる。位相変調器１０７は微弱光パルスに対して位相変調を実行し信号光パルスＰＱを生成する。信号光パルスＰＱはミラー１０８で反射して偏光ビームスプリッタ１０３へ入射する。なお減衰器１０６と位相変調器１０７は光パルスの進行方向に対して逆の配列順であってもよい。
【0042】
信号光パルスＰＱは半波長板１０５により偏光面が９０°回転しているので、偏光ビームスプリッタ１０３へ反射され、送信光学系１１０のビームエクスパンダ１２１に入射する。ただし、信号光パルスＰＱは、経路ＲＱと経路ＲＬＯとの光路長の差に起因する時間だけ参照光パルスＰＬＯより遅れてビームエクスパンダ１２１に入射する。こうして、１つの光パルスＰから互いに偏光面が直交し時間的に分離した参照光パルスＰＬＯおよび信号光パルスＰＱが生成される。なお、無偏光ビームスプリッタ１０２を偏光ビームスプリッタとした場合は半波長板１０５を用いなくてもよい。
【0043】
制御部１２０は通信装置１００の全体的動作を制御するが、本実施例では送信機（Ａｌｉｃｅ）のレーザ光源１０１、減衰器１０６、位相変調器１０７およびレーザ光源１１１を制御する。位相変調器１０７は、制御部１２０の制御により、減衰器１０６から出力された微弱光パルスに対して暗号鍵の原乱数に従った４通りの位相変調（０°、９０°、１８０°、２７０°）を実行して信号光パルスＰＱを生成する。こうして通常強度の参照光パルスＰＬＯと位相変調された信号光パルスＰＱとからなる２連パルス列が送信光学系１１０のビームエクスパンダ１２１に入射する。
【0044】
ビームエクスパンダ１２１は、参照光パルスＰＬＯおよび信号光パルスＰＱをより大きい直径のコリメート参照光パルスおよびコリメート信号光パルスにそれぞれ変換し、ＤＭ１２３を透過して自由空間３００へ送出する。
【0045】
他方、レーザ光源１１１は、制御部１２０の制御に従って所定間隔あるいは所望のタイミングで、所定時間持続するプローブ光Ｓｐをビームエクスパンダ１２２へ出力する。ビームエクスパンダ１２２により直径が拡張された波長λ２のコリメートプローブ光はＤＭ１２３で反射して自由空間３００へ送出される。以下、レーザ光源１１１は所定のタイムスロットごとのタイミングでプローブ光Ｓｐを出力するものとする。
【0046】
このようにして同じ光伝送路としての自由空間３００において、参照光パルスＰＬＯおよび信号光パルスＰＱからなる波長λ１の２連パルス列と、所定のタイミングで所定時間持続する波長λ２のプローブ光Ｓｐとが伝送される。
【0047】
２．２）受信機
図３Ｂに示すように、受信機（Ｂｏｂ）のビームエクスパンダ２１０は受信光学系であり、送信機（Ａｌｉｃｅ）の送信光学系１１０と光軸が一致するように設置される。これにより受信機（Ｂｏｂ）のビームエクスパンダ２１０は参照光パルスＰＬＯおよび信号光パルスＰＱとプローブ光Ｓｐとを自由空間３００を通して受光することができる。
図３Ｂに示すように、受信機（Ｂｏｂ）のビームエクスパンダ２１０は受信光学系であり、送信機（Ａｌｉｃｅ）の送信光学系１１０と光軸が一致するように設置される。これにより受信機（Ｂｏｂ）のビームエクスパンダ２１０は参照光パルスＰＬＯおよび信号光パルスＰＱとプローブ光Ｓｐとを自由空間３００を通して受光することができる。
【0048】
受信機（Ｂｏｂ）のビームエクスパンダ２１０の出力ポートは光ファイバを通して偏光ビームスプリッタ２０１の入力ポートに接続されている。このために、自由空間３００における空気の揺らぎ等の外乱が発生すると、ビームエクスパンダ２１０の出力光が光ファイバのコアに正しく集光しない場合がある。また自由空間３００における水蒸気や微粒子等の外乱によりビームエクスパンダ２１０の出力光の強度が大きく低下する場合もある。本実施例によれば、受信機（Ｂｏｂ）はプローブ光Ｓｐの減衰率を計測し、減衰率に応じて受信参照光を増幅することにより、外乱に起因する受信強度の低下および変動を相殺することができる。以下詳述する。
【0049】
図３Ｂにおいて、受信機（Ｂｏｂ）は、ビームエクスパンダ２１０の他に、信号受信部およびプローブ検出部を含む。制御部２２０は通信装置２００の全体的動作を制御する。信号受信部は信号光学系、参照光学系および信号検出部からなる。信号光学系は、偏光ビームスプリッタ２０１、半波長板２０２および無偏光ビームスプリッタ２０３から構成される。参照光学系は、偏光ビームスプリッタ２０１、ダイクロイックミラー（ＤＭ）２０４、光増幅器２０５、位相変調器２０６、ミラー２０７および無偏光ビームスプリッタ２０３から構成される。信号検出部は光検出器ＰＤ１、ＰＤ２および差分演算部２０８から構成される。プローブ検出部は、ＤＭ２０４、光検出器ＰＤ３および減衰率計算部２２１を有する。
【0050】
偏光ビームスプリッタ２０１は、ビームエクスパンダ２１０から受信参照光パルスＰｒＬＯおよび受信信号光パルスＰｒＱと、受信プローブ光Ｓｒｐと、を入力する。上述したように、受信参照光パルスＰｒＬＯと信号光パルスＰｒＱとは偏光面が直交している。
【0051】
受信信号光パルスＰｒＱはそのまま偏光ビームスプリッタ２０１を透過し、半波長板２０２へ入射する。半波長板２０２は偏光面を９０度回転させる。したがって半波長板２０２を透過した受信信号光パルスＰｒＱは受信参照光パルスＰｒＬＯと同じ偏光面となり、無偏光ビームスプリッタ２０３の第１の入力ポートに入射する。
【0052】
他方、受信参照光パルスＰｒＬＯは偏光ビームスプリッタ２０１で反射し、偏光ビームスプリッタ２０１の第２の出力ポートから出射してＤＭ２０４で反射する。ＤＭ２０４で反射した受信参照光パルスＰｒＬＯは、光増幅器２０５、位相変調器２０６およびミラー２０７を通して無偏光ビームスプリッタ２０３の第２の入力ポートに入射する。受信プローブ光Ｓｒｐは送信機（Ａｌｉｃｅ）のレーザ光源１１１から出射されたプローブ光Ｓｐが到達したものであるから、受信参照光パルスＰｒＬＯと同様に偏光ビームスプリッタ２０１で反射する。
【0053】
ＤＭ２０４は、送信側のＤＭ１２３とは逆に、波長λ２の光を透過し、その他の波長（λ１を含む）の光を反射するように構成されている。したがって、ＤＭ２０４は波長λ１の参照光パルスＰｒＬＯを反射し、波長λ２の受信プローブ光Ｓｒｐを透過させる。
【0054】
ここで受信信号光パルスＰｒＱの経路は送信機（Ａｌｉｃｅ）の経路ＲＬＯと同じ長さであり、受信参照光パルスＰｒＬＯの経路は送信機（Ａｌｉｃｅ）の経路ＲＱと同じ長さである。したがって、無偏光ビームスプリッタ２０３の第１および第２の入力ポートにそれぞれ入射する受信信号光パルスＰｒＱおよび受信参照光パルスＰｒＬＯは、送信機（Ａｌｉｃｅ）の偏光ビームスプリッタ２０１から同じ長さの異なる光路を通して無偏光ビームスプリッタ２０３に到達する。これにより送信機（Ａｌｉｃｅ）および受信機（Ｂｏｂ）の光学的構成は図１で説明した干渉計を構成している。
【0055】
光増幅器２０５はたとえばＥＤＦＡあるいはＳＯＡであり、受光参照光パルスＰｒＬＯを波長および位相を維持したまま増幅する。光増幅器２０５の増幅率は後述するように制御部２２０により制御される。位相変調器２０６は光増幅された受光参照光パルスＰｒＬＯを位相変調する。位相変調器２０６の位相変調は制御部２２０により制御される。上述したように、送信機（Ａｌｉｃｅ）の位相変調器１０７は送信する信号光パルスＰＱに対して４通りの位相変調（０°、９０°、１８０°、２７０°）を施すが、受信機（Ｂｏｂ）の位相変調器２０６は受信参照光パルスＰｒＬＯに対して２通りの位相変調（０°、９０°）を施す。このように位相変調された受信参照光パルスＰｒＬＯがミラー２０７で反射して無偏光ビームスプリッタ２０３に入射する。
【0056】
無偏光ビームスプリッタ２０３は、半波長板２０２により偏光面が９０度回転した受信信号光パルスＰｒＱと、光増幅され位相変調された受信参照光パルスＰｒＬＯと、を入力する。無偏光ビームスプリッタ２０３は光の透過率と反射率とが等しく、受信信号光パルスＰｒＱと受信参照光パルスＰｒＬＯとを重ねて２つの出力ポートから出射する。無偏光ビームスプリッタ２０３の２つの出力ポートにはそれぞれ光伝送路を通して光検出器ＰＤ１、ＰＤ２が光学的に接続されている。光検出器ＰＤ１、ＰＤ２は無偏光ビームスプリッタ２０３の２つの出力ポートからの出射光をそれぞれ受光する。光検出器ＰＤ１、ＰＤ２としては通常のフォトダイオードが室温で用いられる。
【0057】
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２０８で差分演算され、その結果である差信号がホモダイン検出により得られる信号出力Ｉｏｕｔとして出力される。
【0058】
他方、ＤＭ２０４を透過した受信プローブ光Ｓｒｐは光検出器ＰＤ３により検出され、検出信号が減衰率計算部２２１へ出力される。減衰率計算部２２１は、光検出器ＰＤ３により得られた受信プローブ光Ｓｒｐの受信強度と送信側プローブ光Ｓｐの所定強度とを用いて減衰率（１－γ）を計算する。
【0059】
減衰率（１－γ）は、自由空間３００での伝送損失だけでなく、ビームエクスパンダ２１０での受信プローブ光Ｓｒｐの強度低下も反映する。すなわち、受信プローブ光Ｓｒｐの減衰は、上述したように自由空間３００の外乱によるビームエクスパンダ２１０の出力光の集光位置ずれ等によっても発生し得る。
【0060】
制御部２２０は上述した位相変調器２０６の位相制御と光増幅器２０５の光増幅率制御を行う。光増幅器２０５は減衰率（１－γ）に応じた光増幅率で受信参照光ＬＯを増幅し、それによって信号出力Ｉｏｕｔの信号レベルが所定範囲に維持される。制御部２２０は、予め測定により決定された関数を用意しておき、光増幅率を減衰率（１－γ）の関数として計算することができる。あるいは予め測定により減衰率（１－γ）と増幅率との対応テーブルを用意しておき、それを参照して減衰率（１－γ）に対する光増幅率を求めることもできる。なお、光増幅器２０５の光増幅率の制御は減衰率（１－γ）あるいはその変化量が所定閾値を超えたときに実行されてもよい。
【0061】
＜光増幅率制御＞
本実施例による量子暗号通信システムでは所定のタイムスロットを基準として通信装置１００と通信装置２００との間で量子暗号鍵による暗号通信を行うものとする。本実施例によれば、図４に例示するように、制御部２２０は減衰率計算部２２１から減衰率（１－γ）を通信タイムスロット毎に取得し、光増幅器２０５の光増幅率を制御する。
本実施例による量子暗号通信システムでは所定のタイムスロットを基準として通信装置１００と通信装置２００との間で量子暗号鍵による暗号通信を行うものとする。本実施例によれば、図４に例示するように、制御部２２０は減衰率計算部２２１から減衰率（１－γ）を通信タイムスロット毎に取得し、光増幅器２０５の光増幅率を制御する。
【0062】
図４において、制御部２２０は所定のタイムスロット毎の補正タイミングであるか否かを判断する（動作４０１）。補正タイミングであれば（動作４０１のＹＥＳ）、光検出器ＰＤ３は受信プローブ光Ｓｒｐを受光してレベル信号を検出する（動作４０２）。減衰率計算部２２１は光検出器ＰＤ３からレベル信号を入力し、送信時の所定送信レベルに対する受信レベルの割合を現時点での減衰率（１－γ）として計算する（動作４０３）。制御部２２０は、計算式あるいはテーブルを用いて現時点での減衰率（１－γ）に応じた光増幅率を決定し、光増幅器２０５の光増幅率を制御する（動作４０４）。なお、補正タイミングでなければ（動作４０１のＮＯ）、上記光増幅率の制御は行われず、前回設定された光増幅率が維持される。
【0063】
上述したように、制御部２２０は、光増幅器２０５の増幅率を減衰率（１－γ）に応じて制御し、信号出力Ｉｏｕｔの信号レベルが所定範囲に維持されるように受信参照光ＬＯを増幅する。制御部２２０は、減衰率（１－γ）が大きくなるに従って光増幅器２０５の増幅率を所定値に対して上昇させ、減衰率（１－γ）が小さくなるに従って光増幅器２０５の増幅率を所定値に対して下降させる。これにより環境に起因する減衰率の変化を相殺して信号出力Ｉｏｕｔの信号レベルを維持することができる。このように減衰率（１－γ）に応じて光増幅器２０５が受信参照光ＬＯを増幅することで信号出力Ｉｏｕｔの信号レベルが上昇し、信号出力ＩｏｕｔのＳＮ比が改善する。さらに減衰率（１－γ）に応じて光増幅器１４の増幅率を制御することで信号出力Ｉｏｕｔの安定性を改善することができる。
【0064】
なお、制御部２２０および減衰率計算部２２１の上述した機能は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やプロセッサ等のコンピュータ上でプログラムを実行することにより実現することができる。
【0065】
３．第２実施形態
図５に例示するように、本発明の第２実施形態によるシステムは、受信機（Ｂｏｂ）の構成が図１に示す第１実施形態とは異なる。以下、第１実施形態と異なる構成および機能について説明し、同じ機能を有する構成部材には同一参照番号を付して説明は省略する。
図５に例示するように、本発明の第２実施形態によるシステムは、受信機（Ｂｏｂ）の構成が図１に示す第１実施形態とは異なる。以下、第１実施形態と異なる構成および機能について説明し、同じ機能を有する構成部材には同一参照番号を付して説明は省略する。
【0066】
図５において、受信機（Ｂｏｂ）は新たな構成要素として伝送損失予測部２０を有し、その以外は第１実施形態と基本的に同様の構成を有する。それに伴い光増幅器制御部１９ａの制御機能が光増幅器制御部１９とは若干異なる。伝送損失予測部２０は環境データを入力して自由空間伝送路Ｃを伝播する光の損失を予測する。光増幅器制御部１９ａは、減衰率（１－γ）と伝送損失予測部１８により予測された伝送損失とを用いて光増幅器１４の増幅率を制御する。
【0067】
環境データは自由空間伝送路Ｃの伝送損失に影響する要因、たとえば気温、湿度、振動等のデータであり、さらに日付や一日の時間帯等の時間データも含まれる。周知のように、自由空間伝送路Ｃは気温や湿度で伝送損失が変動する場合がある。また気温や湿度は季節によっても変化するので、日付により伝送損失の粗い変動の予測が可能である。また、一日のうちでも時間帯により気温や湿度が変化し、さらに交通機関等による振動の頻度あるいは大きさも変化する。
【0068】
このような自由空間伝送路Ｃの伝送損失に影響する環境データは予め計測され得る。この計測された環境データを用いて環境と伝送損失との関係を変換テーブルとして用意することができる。この変換テーブルを参照することで、伝送損失予測部２０は現在の環境データから自由空間伝送路Ｃの伝送損失を予測することができる。したがって光増幅器制御部１９ａは、実際に測定した現時点の減衰率（１－γ）と、環境データから予測された伝送損失とに基づいて光増幅率を制御する。
【0069】
上述したように、本発明の第２実施形態によれば、減衰率（１－γ）に加えて、予測された伝送損失に基づいて光増幅器１４の増幅率を制御する。これによりホモダイン検出により得られた信号出力ＩｏｕｔのＳＮ比および出力安定性をさらに向上させることができる。
【0070】
【0071】
４．第３実施形態
本発明の第３実施形態によるシステムは、上述した第１実施形態と同様に、受信機（Ｂｏｂ）において減衰率（１－γ）が計算され、減衰率（１－γ）に応じて受信参照光ＬＯの光増幅率が制御される。さらに第３実施形態によれば、減衰率（１－γ）が送信機（Ａｌｉｃｅ）へ通知され、送信機（Ａｌｉｃｅ）において減衰率（１－γ）に応じて送信パルスの強度およびパルス幅が変調される。
本発明の第３実施形態によるシステムは、上述した第１実施形態と同様に、受信機（Ｂｏｂ）において減衰率（１－γ）が計算され、減衰率（１－γ）に応じて受信参照光ＬＯの光増幅率が制御される。さらに第３実施形態によれば、減衰率（１－γ）が送信機（Ａｌｉｃｅ）へ通知され、送信機（Ａｌｉｃｅ）において減衰率（１－γ）に応じて送信パルスの強度およびパルス幅が変調される。
【0072】
【0073】
図６に示すように、受信機（Ｂｏｂ）において、減衰率計算部１８は減衰率（１－γ）を計算し、光増幅器制御部１９は減衰率（１－γ）に応じて光増幅器１４の増幅率を制御する。さらに減衰率（１－γ）は通信ネットワークＤを通して送信機（Ａｌｉｃｅ）へ送信される。通信ネットワークＤは既存の電気通信あるいは光通信ネットワークであり、減衰率（１－γ）を含む情報はインターネット等のパケット通信を利用して転送してもよい。
【0074】
送信機（Ａｌｉｃｅ）は第１実施形態の構成に加えてパルス変調制御部２１を有する。パルス変調制御部２１は通信ネットワークＤを通して減衰率γを受信し、減衰率（１－γ）に応じてレーザ光源１０が出射する送信光パルスの強度およびパルス幅を変調する。パルス変調制御部２１の制御方法について図７を参照しながら説明する。以下、図面を簡略化するために、光パルスを矩形状に近似し、そのピーク値をパルスパワー（強度）[W]、半値幅をパルス幅[s]とする。
【0075】
図７において、まず送信機（Ａｌｉｃｅ）から自由空間伝送路Ｃへ送出される送信光パルスのパワー（強度）をＰ[W]、パルス幅をｔ[s]とすると、送信光パルスのエネルギＥ[J]はＥ＝Ｐｔである。送信光パルスは自由空間伝送路Ｃを伝播し受信機（Ｂｏｂ）に到達する（ステップＳ１）。受信機（Ｂｏｂ）で受信される受信光パルスは、その強度が減衰している。その減衰率は、上述したようにプローブ光Ｓｐを用いて計測することができる（ステップＳ２）。透過率をγ（０≦γ≦１）とすれば、減衰率は（１－γ）となり、受信光パルスのエネルギＥはＥ＝γＰｔで表される。減衰率（１－γ）は通信ネットワークＤを通して送信機（Ａｌｉｃｅ）へ送信される（ステップＳ３）。
【0076】
送信機（Ａｌｉｃｅ）では、送信光パルス当たりのエネルギＥを変化させることなく、減衰率（１－γ）に応じて送信光パルスの強度およびパルス幅を変化させる（ステップＳ４）。より詳しくは、パルス幅をｔからγｔに短縮し、強度をＰからＰ／γに増大させる。これによりパルス当たりのエネルギＥはＥ＝Ｐｔに維持される。このように強度およびパルス幅が変更された送信光パルスを送信すると（ステップＳ５）、受信機（Ｂｏｂ）は、パルス幅γｔで強度Ｐの受信光パルスを受信することができる。この時のパルス当たりのエネルギＥはＥ＝γＰｔであり、ステップＳ１における変調前の受信光パルスのエネルギと同じになる。
【0077】
このように受信機（Ｂｏｂ）の光検出器ＰＤ１、ＰＤ２で検出される受信光パルスの強度の変動を防止することで信号出力ＩｏｕｔのＳＮ比と共に信号出力Ｉｏｕｔの安定性を改善することができる。さらにパルス当たりのエネルギーＥがパルス幅とパルス強度を変化させても変わらないために、本実施形態によるパルス変調を参照光ＬＯおよび信号光Ａの両方に適用させることができる。
【0078】
図６に戻って、第３実施形態によるシステムは、受信機（Ｂｏｂ）において減衰率（１－γ）に応じて受信参照光ＬＯの光増幅率が制御され、受信参照光ＬＯが増幅される。また送信機（Ａｌｉｃｅ）において減衰率（１－γ）に応じて送信パルスの強度を高くし、パルス幅を狭くする変調を行う。したがって、送信機（Ａｌｉｃｅ）での変調制御および受信機（Ｂｏｂ）での増幅率制御により、受信機（Ｂｏｂ）における信号出力レベルＬｏｕｔを閾値ＬＴＨ以上に維持することができ、受信側のホモダイン検出におけるＳＮ比を改善することができる。さらに、減衰率（１－γ）を用いて光信号出力レベルＬｏｕｔを所定範囲内に維持することができ、信号出力Ｉｏｕｔの安定化を達成できる。
【0079】
５．第２実施例
本発明の第２実施例による量子暗号通信システムは、図３Ａおよび図３Ｂに示すシステムと同様の構成を有するが、上述したように減衰率γが送信機（Ａｌｉｃｅ）へ通知され、送信機（Ａｌｉｃｅ）において減衰率（１－γ）に応じて送信パルスの強度およびパルス幅が変調される点が異なる。したがって、第２実施例における受信機（Ｂｏｂ）を含む通信装置２００は、減衰率（１－γ）を送信する通信機能を有する点を除いて図３Ｂに示す通信装置２００と同じ構成を有する。また第２実施例における送信機（Ａｌｉｃｅ）を含む通信装置１００ａは図３Ａに示す通信装置１００とほぼ同じ構成を有するが、減衰率（１－γ）を受信する機能と、減衰率（１－γ）に応じて送信光パルスの強度およびパルス幅を制御する機能とが新たに設けられる。
本発明の第２実施例による量子暗号通信システムは、図３Ａおよび図３Ｂに示すシステムと同様の構成を有するが、上述したように減衰率γが送信機（Ａｌｉｃｅ）へ通知され、送信機（Ａｌｉｃｅ）において減衰率（１－γ）に応じて送信パルスの強度およびパルス幅が変調される点が異なる。したがって、第２実施例における受信機（Ｂｏｂ）を含む通信装置２００は、減衰率（１－γ）を送信する通信機能を有する点を除いて図３Ｂに示す通信装置２００と同じ構成を有する。また第２実施例における送信機（Ａｌｉｃｅ）を含む通信装置１００ａは図３Ａに示す通信装置１００とほぼ同じ構成を有するが、減衰率（１－γ）を受信する機能と、減衰率（１－γ）に応じて送信光パルスの強度およびパルス幅を制御する機能とが新たに設けられる。
【0080】
よって、第２実施例における受信機（Ｂｏｂ）を含む通信装置２００については図３Ｂを参照して詳細な説明を省略する。以下、送信機（Ａｌｉｃｅ）を含む通信装置１００ａの構成および機能について主に説明する。ただし、図３Ａに示す第１実施例と異なる構成および機能について説明し、同じ機能を有する構成部材には同一参照番号を付して詳細な説明は省略する。
【0081】
図８において、第１実施例における通信装置１００ａの送信機（Ａｌｉｃｅ）は、図３Ａの第１実施例と同様に、信号光学系、プローブ光学系および送信光学系１１０を有する。さらに通信装置１００ａは、送信光パルスの強度およびパルス幅制御を行う強度変調器１３０、減衰率（１－γ）を受信する通信部１３１、および強度およびパルス幅制御を含む各種制御を実行する制御部１３２を備える。なお、ここではレーザ光源１０１ａはパルス光ではなく連続光を出力するものとする。
【0082】
強度変調器１３０はレーザ光源１０１と無偏光ビームスプリッタ１０２との間に設けられる。レーザ光源１０１は制御部１３２の制御に従って波長λ１で直線偏光の連続光を出力する。強度変調器１３０は制御部１３２の制御により連続光を強度Ｐ／γおよびパルス幅γｔの光パルスに変換する。強度変調器１３０としてはたとえばマッハ・ツェンダ（ＭＺ）変調器を用いることができる。
【0083】
なお、レーザ光源１０１ａは第１実施例と同様に光パルスを出力するレーザ光源１０１であってもよい。その場合、強度変調器１３０を設けることなく、制御部１３２によりレーザ光源１０１が駆動され強度Ｐ／γおよびパルス幅γｔの光パルスを出力する。
【0084】
以下、図９および図１０を参照して本実施例によるシステムの動作を説明する。第２実施例による量子暗号通信システムでは所定のタイムスロットを基準として通信装置１００ａと通信装置２００との間で量子暗号鍵による暗号通信を行うものとする。なお通信装置１００ａについては図８を、通信装置２００については図３Ｂを参照する。
【0085】
図９において、通信装置１００ａの制御部１３２は、所定のタイムスロット毎の補正タイミングであるか否かを判断する（動作５０１）。補正タイミングであれば（動作５０１のＹＥＳ）、レーザ光源１１１を駆動してプローブ光Ｓｐを送信光学系１１０へ出力し、自由空間３００を通して受信機（Ｂｏｂ）へ送信する（動作５０２）。受信機（Ｂｏｂ）では、上述したように受信プローブ光Ｓｒｐに基づいて減衰率（１－γ）が計算される。
【0086】
通信部１３１は通信ネットワークＤを通して受信機（Ｂｏｂ）から減衰率（１－γ）を含む情報を受信すると、減衰率（１－γ）を制御部１３２へ出力する（動作５０３）。制御部１３２は減衰率（１－γ）に応じて強度変調器１３０を制御し、送信光パルスの強度およびパルス幅制御を実行する（動作５０４）。なお、補正タイミングでなければ（動作５０１のＮＯ）、上記強度及びパルス幅制御は行われず、前回設定された強度およびパルス幅が維持される。
【0087】
上述したように強度変調器１３０は強度Ｐ／γおよびパルス幅γｔの送信光パルスを無偏光ビームスプリッタ１０２へ出力する。以下、既に述べたように１つの送信光パルスから通常光の参照光パルスＰＬＯと位相変調された信号光パルスＰＱとが２連パルス列として生成され、送信光学系１１０から自由空間３００を通して通信装置２００へ送出される。
【0088】
図１０において、通信装置２００の制御部２２０は所定のタイムスロット毎の補正タイミングであるか否かを判断する（動作６０１）。補正タイミングであれば（動作６０１のＹＥＳ）、光検出器ＰＤ３は受信プローブ光Ｓｒｐを受光してレベル信号を検出する（動作６０２）。減衰率計算部２２１は光検出器ＰＤ３からレベル信号を入力し、送信時の所定送信レベルに対する受信レベルの割合を現時点での減衰率（１－γ）として計算する（動作６０３）。制御部２２０は、計算式あるいはテーブルを用いて現時点での減衰率（１－γ）に応じた光増幅率を決定し、光増幅器２０５の光増幅率を制御する（動作６０４）。さらに、制御部２２０は、通信ネットワークＤを通して減衰率（１－γ）を送信機（Ａｌｉｃｅ）を含む通信装置１００ａへ送信する（動作６０５）。なお、補正タイミングでなければ（動作６０１のＮＯ）、上記光増幅率の制御は行われず、前回設定された光増幅率が維持される。
【0089】
以上述べたように、第２実施例によるシステムは、送信機（Ａｌｉｃｅ）がプローブ光Ｓｐを自由空間３００を通して受信機（Ｂｏｂ）へ送信し、受信機（Ｂｏｂ）が減衰率（１－γ）を算出し、その減衰率（１－γ）を送信機（Ａｌｉｃｅ）へ送信する。受信機（Ｂｏｂ）は減衰率（１－γ）に応じて受信参照光ＬＯの光増幅率を制御する。送信機（Ａｌｉｃｅ）は減衰率（１－γ）に応じて送信パルスの強度およびパルス幅を上述したように変調する。こうして送信機（Ａｌｉｃｅ）での強度およびパルス幅制御および受信機（Ｂｏｂ）での増幅率制御により、受信機（Ｂｏｂ）における信号出力レベルＬｏｕｔを閾値ＬＴＨ以上に維持することができる。さらに、減衰率（１－γ）を用いて光信号出力レベルＬｏｕｔを所定範囲内に維持することができる。
【0090】
６．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）
送信機と受信機とからなる量子暗号通信システムであって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と前記受信機とが光学的に接続され、
前記送信機が、
コヒーレント光から量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを生成し、前記信号光と前記参照光とを前記光伝送路へ送出する光送信部と、
所定強度のプローブ光を前記光伝送路へ送出するプローブ光送信部と、
を備え、
前記受信機が、
前記送信機から前記光伝送路を通して到達した受信信号光および受信参照光を受信する光受信部と、
前記受信参照光を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器により増幅された前記受信参照光と前記受信信号光とに基づいて信号出力を生成するホモダイン検出器と、
前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信するプローブ光受信部と、
前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する光増幅器制御部と、
を備えたことを特徴とする量子暗号通信システム。
（付記２）
前記プローブ光送信部は所定周期のタイミングで前記プローブ光を送出し、
前記光増幅器制御部は、前記タイミングで受信した受信プローブ光を用いて減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する、
ことを特徴とする付記１に記載の量子暗号通信システム。
（付記３）
前記送信機は前記コヒーレント光の強度およびパルス幅を制御するパルス変調制御部をさらに有し、
前記パルス変調制御部が前記受信機から前記減衰率を受信し、前記減衰率に応じて前記コヒーレント光の強度およびパルス幅を制御する、
ことを特徴とする付記１または２に記載の量子暗号通信システム。
（付記４）
前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する透過率をγとして、前記減衰率を（１－γ）、前記コヒーレント光の強度をＰ、パルス幅をｔとすれば、前記パルス変調制御部は、前記コヒーレント光の強度をＰ／γに大きくし、パルス幅をγｔに狭くすることを特等とする付記３に記載の量子暗号通信システム。
（付記５）
前記送信機の前記光送信部および前記プローブ光送信部とは送信光学系を共有し、前記受信機の前記光受信部および前記プローブ光受信部とは受信光学系を共有し、前記送信光学系と前記受信光学系とは互いに光軸が一致しており、前記光伝送路が前記送信光学系と前記受信光学系との間の自由空間であることを特徴とする付記１－４のいずれか１項に記載の量子暗号通信システム。
（付記６）
量子暗号通信システムにおいてホモダイン検出により信号出力を取得する通信装置であって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して送信側の通信装置と光学的に接続され、前記送信側の通信装置でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを前記光伝送路を通して受信する光受信部と、
前記光受信部で受信した受信参照光を増幅する光増幅器と、
前記光受信部で受信した受信信号光と前記光増幅器により増幅された受信参照光とに基づいて信号出力を生成するホモダイン検出器と、
前記送信側の通信装置から前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信するプローブ光受信部と、
前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する光増幅器制御部と、
を備えたことを特徴とする通信装置。
（付記７）
前記光増幅器制御部は、前記送信側の通信装置から所定周期のタイミングで受信する受信プローブ光を用いて減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する、
ことを特徴とする付記６に記載の通信装置。
（付記８）
前記光受信部と前記プローブ光受信部とが共有する受信光学系をさらに有し、前記受信光学系が前記送信側の通信装置に設けられた送信光学系と光軸が一致しており、前記光伝送路が前記送信光学系と前記受信光学系との間の自由空間であることを特徴とする付記６または７に記載の通信装置。
（付記９）
送信機と受信機とからなる量子暗号通信システムにおける通信制御方法であって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と前記受信機とが光学的に接続され、
前記送信機は、
光送信部がコヒーレント光から量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを生成して前記信号光と前記参照光とを前記光伝送路へ送出し、
プローブ光送信部が所定強度のプローブ光を前記光伝送路へ送出し、
前記受信機は、
受信手段が前記送信機から前記光伝送路を通して到達した受信信号光および受信参照光と前記プローブ光とを受信し、
制御手段が前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記受信参照光を増幅する増幅率を制御し、
検出手段が前記増幅された受信参照光と前記受信信号光とに基づいてホモダイン検出により信号出力を生成する、
ことを特徴とする量子暗号通信システムにおける通信制御方法。
（付記１０）
前記送信機は所定周期のタイミングで前記プローブ光を送出し、
前記受信機の前記制御手段は前記タイミングで受信した受信プローブ光を用いて減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する、
ことを特徴とする付記８に記載の量子暗号通信システムにおける通信制御方法。
（付記１１）
前記送信機は前記コヒーレント光のパルス幅を制御するパルス幅制御部をさらに有し、
前記パルス幅制御部が前記受信機から前記減衰率を受信し、前記減衰率に応じて前記コヒーレント光のパルス幅を制御する、ことを特徴とする付記９または１０に記載の量子暗号通信システムにおける通信制御方法。
（付記１２）
前記送信機の前記光送信部および前記プローブ光送信部とは送信光学系を共有し、前記受信機の前記受信手段は前記受信信号光、前記受信参照光および前記受信プローブ光を寿sんする受信光学系を有し、前記送信光学系と前記受信光学系とは互いに光軸が一致しており、前記光伝送路が前記送信光学系と前記受信光学系との間の自由空間であることを特徴とする付記９または１０に記載の量子暗号通信システムにおける通信制御方法。
（付記１３）
送信機と受信機とからなる量子暗号通信システムにおける前記受信機の通信制御方法であって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と光学的に接続され、
受信手段が、前記送信機でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光と、プローブ光とを前記送信機から前記光伝送路を通して受信し、
制御手段が前記受信されたプローブ光の送信側プローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記受信参照光を増幅する増幅率を制御し、
検出手段が前記増幅された受信参照光と前記受信信号光とに基づいてホモダイン検出により信号出力を生成する、
ことを特徴とする受信機の通信制御方法。
（付記１４）
前記制御手段は、前記送信機から所定周期のタイミングで受信する受信プローブ光を用いて減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御することを特徴とする付記１３に記載の受信機の通信制御方法。
（付記１５）
量子暗号通信システムにおいてホモダイン検出により信号出力を取得する通信装置としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して送信側の通信装置と光学的に接続された光受信部が、前記送信側の通信装置でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを前記光伝送路を通して受信する機能と、
光増幅器が前記光受信部で受信した受信参照光を増幅する機能と、
ホモダイン検出器が前記光受信部で受信した受信信号光と前記光増幅器により増幅された受信参照光とに基づいて信号出力を生成する機能と、
プローブ光受信部が前記送信側の通信装置から前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信する機能と、
光増幅器制御部が前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する機能と、
を前記コンピュータで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）
送信機と受信機とからなる量子暗号通信システムであって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と前記受信機とが光学的に接続され、
前記送信機が、
コヒーレント光から量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを生成し、前記信号光と前記参照光とを前記光伝送路へ送出する光送信部と、
所定強度のプローブ光を前記光伝送路へ送出するプローブ光送信部と、
を備え、
前記受信機が、
前記送信機から前記光伝送路を通して到達した受信信号光および受信参照光を受信する光受信部と、
前記受信参照光を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器により増幅された前記受信参照光と前記受信信号光とに基づいて信号出力を生成するホモダイン検出器と、
前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信するプローブ光受信部と、
前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する光増幅器制御部と、
を備えたことを特徴とする量子暗号通信システム。
（付記２）
前記プローブ光送信部は所定周期のタイミングで前記プローブ光を送出し、
前記光増幅器制御部は、前記タイミングで受信した受信プローブ光を用いて減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する、
ことを特徴とする付記１に記載の量子暗号通信システム。
（付記３）
前記送信機は前記コヒーレント光の強度およびパルス幅を制御するパルス変調制御部をさらに有し、
前記パルス変調制御部が前記受信機から前記減衰率を受信し、前記減衰率に応じて前記コヒーレント光の強度およびパルス幅を制御する、
ことを特徴とする付記１または２に記載の量子暗号通信システム。
（付記４）
前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する透過率をγとして、前記減衰率を（１－γ）、前記コヒーレント光の強度をＰ、パルス幅をｔとすれば、前記パルス変調制御部は、前記コヒーレント光の強度をＰ／γに大きくし、パルス幅をγｔに狭くすることを特等とする付記３に記載の量子暗号通信システム。
（付記５）
前記送信機の前記光送信部および前記プローブ光送信部とは送信光学系を共有し、前記受信機の前記光受信部および前記プローブ光受信部とは受信光学系を共有し、前記送信光学系と前記受信光学系とは互いに光軸が一致しており、前記光伝送路が前記送信光学系と前記受信光学系との間の自由空間であることを特徴とする付記１－４のいずれか１項に記載の量子暗号通信システム。
（付記６）
量子暗号通信システムにおいてホモダイン検出により信号出力を取得する通信装置であって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して送信側の通信装置と光学的に接続され、前記送信側の通信装置でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを前記光伝送路を通して受信する光受信部と、
前記光受信部で受信した受信参照光を増幅する光増幅器と、
前記光受信部で受信した受信信号光と前記光増幅器により増幅された受信参照光とに基づいて信号出力を生成するホモダイン検出器と、
前記送信側の通信装置から前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信するプローブ光受信部と、
前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する光増幅器制御部と、
を備えたことを特徴とする通信装置。
（付記７）
前記光増幅器制御部は、前記送信側の通信装置から所定周期のタイミングで受信する受信プローブ光を用いて減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する、
ことを特徴とする付記６に記載の通信装置。
（付記８）
前記光受信部と前記プローブ光受信部とが共有する受信光学系をさらに有し、前記受信光学系が前記送信側の通信装置に設けられた送信光学系と光軸が一致しており、前記光伝送路が前記送信光学系と前記受信光学系との間の自由空間であることを特徴とする付記６または７に記載の通信装置。
（付記９）
送信機と受信機とからなる量子暗号通信システムにおける通信制御方法であって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と前記受信機とが光学的に接続され、
前記送信機は、
光送信部がコヒーレント光から量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを生成して前記信号光と前記参照光とを前記光伝送路へ送出し、
プローブ光送信部が所定強度のプローブ光を前記光伝送路へ送出し、
前記受信機は、
受信手段が前記送信機から前記光伝送路を通して到達した受信信号光および受信参照光と前記プローブ光とを受信し、
制御手段が前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記受信参照光を増幅する増幅率を制御し、
検出手段が前記増幅された受信参照光と前記受信信号光とに基づいてホモダイン検出により信号出力を生成する、
ことを特徴とする量子暗号通信システムにおける通信制御方法。
（付記１０）
前記送信機は所定周期のタイミングで前記プローブ光を送出し、
前記受信機の前記制御手段は前記タイミングで受信した受信プローブ光を用いて減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する、
ことを特徴とする付記８に記載の量子暗号通信システムにおける通信制御方法。
（付記１１）
前記送信機は前記コヒーレント光のパルス幅を制御するパルス幅制御部をさらに有し、
前記パルス幅制御部が前記受信機から前記減衰率を受信し、前記減衰率に応じて前記コヒーレント光のパルス幅を制御する、ことを特徴とする付記９または１０に記載の量子暗号通信システムにおける通信制御方法。
（付記１２）
前記送信機の前記光送信部および前記プローブ光送信部とは送信光学系を共有し、前記受信機の前記受信手段は前記受信信号光、前記受信参照光および前記受信プローブ光を寿sんする受信光学系を有し、前記送信光学系と前記受信光学系とは互いに光軸が一致しており、前記光伝送路が前記送信光学系と前記受信光学系との間の自由空間であることを特徴とする付記９または１０に記載の量子暗号通信システムにおける通信制御方法。
（付記１３）
送信機と受信機とからなる量子暗号通信システムにおける前記受信機の通信制御方法であって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して前記送信機と光学的に接続され、
受信手段が、前記送信機でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光と、プローブ光とを前記送信機から前記光伝送路を通して受信し、
制御手段が前記受信されたプローブ光の送信側プローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記受信参照光を増幅する増幅率を制御し、
検出手段が前記増幅された受信参照光と前記受信信号光とに基づいてホモダイン検出により信号出力を生成する、
ことを特徴とする受信機の通信制御方法。
（付記１４）
前記制御手段は、前記送信機から所定周期のタイミングで受信する受信プローブ光を用いて減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御することを特徴とする付記１３に記載の受信機の通信制御方法。
（付記１５）
量子暗号通信システムにおいてホモダイン検出により信号出力を取得する通信装置としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路を通して送信側の通信装置と光学的に接続された光受信部が、前記送信側の通信装置でコヒーレント光から生成された量子状態を有する微弱な信号光と量子状態を有しない参照光とを前記光伝送路を通して受信する機能と、
光増幅器が前記光受信部で受信した受信参照光を増幅する機能と、
ホモダイン検出器が前記光受信部で受信した受信信号光と前記光増幅器により増幅された受信参照光とに基づいて信号出力を生成する機能と、
プローブ光受信部が前記送信側の通信装置から前記光伝送路を通して到達したプローブ光を受信する機能と、
光増幅器制御部が前記受信されたプローブ光の前記送信側のプローブ光に対する減衰率を計算し、前記減衰率に応じて前記光増幅器の増幅率を制御する機能と、
を前記コンピュータで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】
【0091】
本発明は量子鍵配送システムに適用可能である。
【符号の説明】
【0092】
１０ レーザ光源（波長λ１）
１１ 位相変調器
１２ 減衰器
１３ レーザ光源（波長λ２）
１４ 光増幅器
１５ 位相変調器
１６ 差分演算器
１７ プローブ光受信部
１８ 減衰率計算部
１９、１９ａ 光増幅器制御部
２０ 伝送損失予測部
２１ パルス変調制御部
ＢＳ１、ＢＳ２ ビームスプリッタ
Ｍ１、Ｍ２ ミラー
Ｃ 自由空間伝送路
Ｄ 通信ネットワーク
ＰＤ１、ＰＤ２ 光検出器
１１ 位相変調器
１２ 減衰器
１３ レーザ光源（波長λ２）
１４ 光増幅器
１５ 位相変調器
１６ 差分演算器
１７ プローブ光受信部
１８ 減衰率計算部
１９、１９ａ 光増幅器制御部
２０ 伝送損失予測部
２１ パルス変調制御部
ＢＳ１、ＢＳ２ ビームスプリッタ
Ｍ１、Ｍ２ ミラー
Ｃ 自由空間伝送路
Ｄ 通信ネットワーク
ＰＤ１、ＰＤ２ 光検出器
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
