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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】P2024048895
(43)【公開日】2024-04-09
(54)【発明の名称】量子暗号通信システム、その送信機および送信制御方法
(51)【国際特許分類】
H04B 10/70 20130101AFI20240402BHJP
H04B 10/50 20130101ALI20240402BHJP
H04B 10/112 20130101ALI20240402BHJP
【ＦＩ】
H04B10/70
H04B10/50
H04B10/112
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022155040
(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）】
5K102AA68
5K102AB11
5K102AH13
5K102AL23
5K102MA01
5K102MB02
5K102MB04
5K102MC11
5K102MC29
5K102MD01
5K102MD04
5K102MH02
5K102MH20
5K102MH22
5K102PC12
5K102PC13
5K102PH01
5K102PH02
5K102PH13
5K102PH15
5K102PH24
5K102PH31
5K102PH42
5K102PH49
5K102RB02
(57)【要約】 （修正有）
【課題】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、送信側の制御により信号出力のＳＮ比の改善および安定化を達成できる量子暗号通信システム、送信機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において、送信機（Ａｌｉｃｅ）は、環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路（Ｃ）を通して受信機（Ｂｏｂ）と光学的に接続され、コヒーレント光の送信光パルス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光伝送路へ送出する光送信部（レーザ光源１０、位相変調器１１、減衰器１２、ビームスプリッターＢＳ１、ミラーＭ１）と、所定強度のプローブ光（ＳＰ）が光伝送路を伝搬した時のプローブ光の減衰率（１－γ）に応じて、送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調するパルス変調制御部（１９）と、を有する。
【選択図】図１
【解決手段】量子暗号通信システムにおいて、送信機（Ａｌｉｃｅ）は、環境の変化により光の伝搬特性が変化する光伝送路（Ｃ）を通して受信機（Ｂｏｂ）と光学的に接続され、コヒーレント光の送信光パルス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光伝送路へ送出する光送信部（レーザ光源１０、位相変調器１１、減衰器１２、ビームスプリッターＢＳ１、ミラーＭ１）と、所定強度のプローブ光（ＳＰ）が光伝送路を伝搬した時のプローブ光の減衰率（１－γ）に応じて、送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調するパルス変調制御部（１９）と、を有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
量子暗号通信システムにおいて、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受信機とが光学的に接続された送信機であって、
コヒーレント光の送信光パルス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が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する制御部と、
を有することを特徴とする送信機。
コヒーレント光の送信光パルス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が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する制御部と、
を有することを特徴とする送信機。
【請求項2】
前記制御部は、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を当該送信光パルスのエネルギを変化させずに変調することを特徴とする請求項１に記載の送信機。
【請求項3】
前記所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の透過率をγとして、前記減衰率を（１－γ）、前記送信光パルスの強度をＰｓ、および前記送信光パルスの幅をｔとすれば、前記制御部は、前記減衰率（１－γ）に応じて前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅をそれぞれＰｓ／γおよびγｔに変調することを特徴とする請求項２に記載の送信機。
【請求項4】
前記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、
前記受信機で反射された前記プローブ光を前記光伝送路を通して受光するプローブ光検出器と、
前記プローブ光検出器の検出出力を用いて前記減衰率を計算する減衰率計算部と、
を更に有する請求項１－３のいずれか１項に記載の送信機。
前記受信機で反射された前記プローブ光を前記光伝送路を通して受光するプローブ光検出器と、
前記プローブ光検出器の検出出力を用いて前記減衰率を計算する減衰率計算部と、
を更に有する請求項１－３のいずれか１項に記載の送信機。
【請求項5】
前記減衰率を前記受信機から受信することを特徴とする請求項１－３のいずれか１項に記載の送信機。
【請求項6】
量子暗号通信システムにおいて、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受信機とが光学的に接続された送信機の送信制御方法であって、
光送信部が、コヒーレント光の送信光パルス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し、
制御部が、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する、
ことを特徴とする送信制御方法。
光送信部が、コヒーレント光の送信光パルス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し、
制御部が、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する、
ことを特徴とする送信制御方法。
【請求項7】
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、コヒーレント光の送信光パルス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、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する制御部と、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、前記受信参照光と前記受信信号光とを干渉させることで信号出力を生成する信号検出部と、を備え、
前記送信機あるいは前記受信機のいずれか一方が、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率を計算する減衰率計算部を有し、
前記制御部が、前記減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する、
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、コヒーレント光の送信光パルス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、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する制御部と、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、前記受信参照光と前記受信信号光とを干渉させることで信号出力を生成する信号検出部と、を備え、
前記送信機あるいは前記受信機のいずれか一方が、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率を計算する減衰率計算部を有し、
前記制御部が、前記減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する、
ことを特徴とする量子暗号通信システム。
【請求項8】
前記送信機が、前記信号光および前記参照光と前記プローブ光とを前記光伝送路へ送信する送信光学系を有し、
前記受信機が、前記光伝送路を通して前記信号光および前記参照光と前記プローブ光とを受信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請求項７に記載の量子暗号通信システム。
前記受信機が、前記光伝送路を通して前記信号光および前記参照光と前記プローブ光とを受信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請求項７に記載の量子暗号通信システム。
【請求項9】
前記受信機は前記光受信部と前記信号検出部との間に前記受信参照光のみ増幅する光増幅器を有し、
前記光増幅器の光増幅率が前記減衰率に応じて制御されることを特徴とする請求項７または８に記載の量子暗号通信システム。
前記光増幅器の光増幅率が前記減衰率に応じて制御されることを特徴とする請求項７または８に記載の量子暗号通信システム。
【請求項10】
量子暗号通信システムにおいて、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受信機とが光学的に接続された送信機としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
コヒーレント光の送信光パルス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機能と、
所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する機能と、
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。
コヒーレント光の送信光パルス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機能と、
所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する機能と、
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における送信制御技術に関する。
【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、受信者（Ｂｏｂ）端末において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。特許文献１および２では、このような光伝送路を用いた場合の課題が全く認識されておらず、その対策も全く記載されていない。
【0011】
さらに、上述した特許文献２では、送信者（Ａｌｉｃｅ）端末の送信光量を上げると散乱光が増大して受信者（Ｂｏｂ）側に漏れ込んで悪影響がでることが認識されている。しかしながら、特許文献２は、この認識に基づき受信者（Ｂｏｂ）端末での対応策を提案しているだけであり、送信者（Ａｌｉｃｅ）端末での対応策を何ら教示していない。
【0012】
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、送信側の制御により信号出力のＳＮ比の改善および安定化を達成できる量子暗号通信システム、その送信機および送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】
【0013】
本発明の一態様による量子暗号通信システムにおける送信機は、量子暗号通信システムにおいて、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受信機と光学的に接続された送信機であって、コヒーレント光の送信光パルス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が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する制御部と、を有することを特徴とする。
本発明の一態様による送信制御方法は、量子暗号通信システムにおいて、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受信機と光学的に接続された送信機の送信制御方法であって、光送信部が、コヒーレント光の送信光パルス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し、制御部が、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する、ことを特徴とする。
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、コヒーレント光の送信光パルス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、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する制御部と、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、前記受信参照光と前記受信信号光とを干渉させることで信号出力を生成する信号検出部と、を備え、前記送信機あるいは前記受信機のいずれか一方が、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率を計算する減衰率計算部を有し、前記制御部が、前記減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する、ことを特徴とする。
本発明の一態様によるプログラムは、量子暗号通信システムにおいて、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受信機と光学的に接続された送信機としてコンピュータを機能させるプログラムであって、コヒーレント光の送信光パルス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機能と、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する機能と、を前記コンピュータで実現することを特徴とする。
本発明の一態様による送信制御方法は、量子暗号通信システムにおいて、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受信機と光学的に接続された送信機の送信制御方法であって、光送信部が、コヒーレント光の送信光パルス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し、制御部が、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する、ことを特徴とする。
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、コヒーレント光の送信光パルス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、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する制御部と、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、前記受信参照光と前記受信信号光とを干渉させることで信号出力を生成する信号検出部と、を備え、前記送信機あるいは前記受信機のいずれか一方が、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率を計算する減衰率計算部を有し、前記制御部が、前記減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する、ことを特徴とする。
本発明の一態様によるプログラムは、量子暗号通信システムにおいて、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受信機と光学的に接続された送信機としてコンピュータを機能させるプログラムであって、コヒーレント光の送信光パルス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機能と、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する機能と、を前記コンピュータで実現することを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
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、減衰率に応じて送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調することより信号出力のＳＮ比の改善および安定化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【発明を実施するための形態】
【0016】
＜実施形態の概要＞
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。受信機は受信した信号光と参照光とを干渉させること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。受信機は受信した信号光と参照光とを干渉させることにより信号情報を検出する。
【0017】
さらに本実施形態による量子暗号通信システムは、信号光および参照光が伝搬する同じ自由空間にプローブ光を送信する。その自由空間を通過したプローブ光を用いて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（あるいは透過）の程度を示す減衰率（あるいは透過率）を計測する。伝搬特性として減衰率を用いる場合、送信時の光強度をPS、受信時の光強度をPR、透過率をγ（０≦γ≦１）とすれば、PR＝γPSとなり、この場合、減衰率は（１－γ）である。
【0018】
本実施形態によれば、送信機において送信パルスの強度およびパルス幅が減衰率に応じて変調される。より詳しくは、送信パルスのエネルギを変化させずに、減衰率に応じて送信パルスの強度を大きくしパルス幅を狭くする。すなわち、減衰が所定範囲内である場合（減衰率（１－γ）＜δ；通常状態）、送信パルスの強度をＰ、パルス幅をｔとすれば、減衰率（１－γ）がδ以上に増大したとき、送信パルスの強度をＰ／γに、パルス幅をγｔに変化させる。これによりパルスあたりのエネルギＥは、透過率γあるいは減衰率（１－γ）に依存することなくＥ＝Ｐｔで一定となる。
【0019】
このように自由空間での減衰率に応じて、送信パルスのエネルギを変化させずに、レーザ光の減衰を補うように送信パルスの強度およびパルス幅を変調する。これにより受信機において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。
【0020】
なお、減衰率の計測方法は限定されない。送信機から受信機へ向けてプローブ光を送信し、受信機で減衰率を計測してもよい。また受信機で反射させて戻ってきたプローブ光を用いて送信機が減衰率を計測してもよい。あるいは、受信機から送信機へ向けてプローブ光を送信し、送信機で減衰率を計測することも可能である。
【0021】
以下、本発明の実施形態および実施例について図面を参照して詳細に説明する。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。
【0022】
１．第１実施形態
図１において、送信機（Ａｌｉｃｅ）と受信機（Ｂｏｂ）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）と受信機（Ｂｏｂ）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。
【0023】
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およびミラーＭ１と、プローブ光を発振するレーザ光源１３と、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。
【0024】
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。
【0025】
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（あるいは光透過率）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。
【0026】
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、さらにプローブ光を反射するミラー１７を有する。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
ミラー１７は送信機（Ａｌｉｃｅ）から自由空間伝送路Ｃを通して届いた受信プローブ光Ｓｒｐを反射し、反射したプローブ光Ｓｒｐは同じ自由空間伝送路Ｃを通して送信機（Ａｌｉｃｅ）へ戻される。
【0030】
送信機（Ａｌｉｃｅ）は、さらにプローブ光検出器ＰＤ３、減衰率計算部１８およびパルス変調制御部１９を有する。プローブ光検出器ＰＤ３は、受信機（Ｂｏｂ）で反射されたプローブ光Ｓｒ’ｐを同じ自由空間伝送路Ｃを通して受光し、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。プローブ光検出器ＰＤ３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）のレーザ光源１３から送信されたプローブ光Ｓｐの所定強度と光検出器ＰＤ３で受光された受信プローブ光Ｓｒ’ｐの受信強度とから自由空間伝送路Ｃでのプローブ光の減衰率（１－γ）を計算し、パルス変調制御部１９へ出力する。
【0031】
パルス変調制御部２１は、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２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。
【0032】
図２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を伝搬し受信機（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。その時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、受信光パルスのエネルギＥはＥ＝γＰｔで表される。
【0033】
送信機（Ａｌｉｃｅ）のレーザ光源１３から出射したプローブ光Ｓｐは、受信機（Ｂｏｂ）のミラー１７で反射し、自由空間伝送路Ｃを通して反射プローブ光Ｓｒｐが送信機（Ａｌｉｃｅ）で受信され、その受信プローブ光Ｓｒ’ｐの受信強度から自由空間伝送路Ｃでのプローブ光の減衰率（１－γ）が算出される（ステップＳ２）。パルス変調制御部１９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Ｓ３）。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調された送信光パルスを送信すると（ステップＳ４）、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。
【0034】
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ができ、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。
【0035】
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）に従って送信パルスの強度およびパルス幅を制御することにより、受信機（Ｂｏｂ）において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。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。
【0036】
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３および図４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３および図４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。
【0037】
図３および図４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、上述した送信機（Ａｌｉｃｅ）を送信機１００、受信機（Ｂｏｂ）を受信機２００とし、送信機１００と受信機２００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ものとする。
【0038】
２．１）送信機
図３において、送信機１００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１０９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。レーザ光源１０１は、制御部１０９の制御により強度およびパルス幅が変調された送信光パルスを出力する。送信光パルスは波長λ１を有する。また、後述するように、信号光学系はレーザ光源１０１の送信光パルス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３において、送信機１００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１０９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。レーザ光源１０１は、制御部１０９の制御により強度およびパルス幅が変調された送信光パルスを出力する。送信光パルスは波長λ１を有する。また、後述するように、信号光学系はレーザ光源１０１の送信光パルス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。
【0039】
プローブ光学系はレーザ光源１１１、ダイクロイックミラー（ＤＭ）１１２および光検出器ＰＤ３を含む。レーザ光源１１１は、レーザ光源１０１と同様に直線偏光のプローブ光Ｓｐを出射し、これを送信光学系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波長λ２（≠λ１）のレーザ光であり、制御された強度を有する。後述するようにプローブ光ＳＰは自由空間３００を往復して戻ってくるので、戻ってくる反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐが十分大きな強度となるようにレーザ光源１１１が出射するプローブ光ＳＰの強度が制御される。
【0040】
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。本実施例におけるＤＭ１１２は波長λ１の光を透過し、波長λ２の光を反射するように構成されている。したがって、波長λ１の参照光パルスＰＬＯおよび信号光パルスＰＱはＤＭ１１２を透過し、波長λ２の反射受信プローブ光Ｓｒ’ＰはＤＭ１１２で反射し、プローブ光検出器ＰＤ３へ入射する。
【0041】
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１２１および１２２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。本実施例におけるＤＭ１２３は、波長λ１の光を透過し、その他の波長（λ２を含む）の光の一部を反射し一部を透過するように構成されている。したがって、波長λ１の参照光パルスＰＬＯおよび信号光パルスＰＱはＤＭ１２３を透過し、波長λ２のプローブ光ＳＰは部分的に反射し、反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐは部分的に透過する。
【0042】
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を透過して自由空間３００へ送出され、ビームエクスパンダ１２２から出射した波長λ２の光はＤＭ１２３で反射して自由空間３００へ放出される。すなわちＤＭ１２３を透過した波長λ１の参照光パルスＰＬＯおよび信号光パルスＰＱとＤＭ１２３で反射した波長λ２のプローブ光ＳＰとは同じ受信機２００へ向けて自由空間３００を伝搬する。
【0043】
制御部１０９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からなる２連パルスを生成する。また制御部１０９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。なお減衰率（１－γ）に応じてプローブ光ＳＰの強度を増減させてもよい。
【0044】
受信機２００から戻ってきた反射受信プローブ光Ｓｒ’ＰはＤＭ１２３で部分的に透過し、ＤＭ１１２で反射してプローブ光検出器ＰＤ３へ入射する。減衰率計算部１１３は、プローブ光検出器ＰＤ３から反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐの強度を示す電気信号を入力し、自由空間３００で減衰率（１－γ）を計算し、制御部１０９へ出力する。制御部１０９は、図２を用いて詳述したように、減衰率（１－γ）に従ってレーザ光源１０１からの送信光パルスの強度およびパルス幅を制御する。
【0045】
なお、制御部１０９および減衰率計算部１１３の機能は、図示しないメモリに格納されたプログラムをＣＰＵ(Central Processing Unit)等を含むコンピュータ上で実行することにより実現することができる。
【0046】
＜送信機の動作＞
レーザ光源１０１は、制御部１０９により強度およびパルス幅が制御された波長λ１の送信光パルスを無偏光ビームスプリッタ１０２の入力ポートへ出力する。送信光パルス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。
レーザ光源１０１は、制御部１０９により強度およびパルス幅が制御された波長λ１の送信光パルスを無偏光ビームスプリッタ１０２の入力ポートへ出力する。送信光パルス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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
制御部１０９は送信機１００の全体的動作を制御するが、本実施例ではレーザ光源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１０９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、π／２、π、３π／２）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。
【0050】
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。
【0051】
他方、レーザ光源１１１は、制御部１０９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。
【0052】
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。以下で述べるように、波長λ２のプローブ光Ｓｐは受信機２００で反射され、同じ自由空間３００を通して戻ってくる。上述したように、戻ってきた波長λ２の反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐを用いて減衰率（１－γ）を計算し、減衰率（１－γ）に従ってレーザ光源１０１からの送信光パルスの強度およびパルス幅を制御する。さらに反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐが十分な強度となるように、減衰率（１－γ）に従ってレーザ光源１１１のプローブ光Ｓｐの強度を制御してもよい。
【0053】
２．２）受信機
図４に示すように、受信機２００のビームエクスパンダ２１０は受信光学系であり、送信機１００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２００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。以下、受信機２００で受信された参照光パルスＰＬＯ、信号光パルスＰＱおよびプローブ光ＳｐをそれぞれＰｒＬＯ、ＰｒＱおよびＳｒＰと記すものとする。
図４に示すように、受信機２００のビームエクスパンダ２１０は受信光学系であり、送信機１００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２００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。以下、受信機２００で受信された参照光パルスＰＬＯ、信号光パルスＰＱおよびプローブ光ＳｐをそれぞれＰｒＬＯ、ＰｒＱおよびＳｒＰと記すものとする。
【0054】
ビームエクスパンダ２１０の出力ポートはＤＭ２１１を挟んで偏光ビームスプリッタ２０１の入力ポートと光学的に接続されている。ＤＭ２１１は、波長λ１の光を透過し、波長λ２の光を反射するように構成されている。したがって受信参照光パルスＰｒＬＯおよび受信信号光パルスＰｒＱはＤＭ２１１を透過し、偏光ビームスプリッタ２０１の入力ポートへ入射する。これに対して受信プローブ光ＳｒＰはＤＭ２１１で反射され、ビームエクスパンダ２１０から自由空間３００を通して送信機１００へ戻される。
【0055】
受信機２００で反射して戻ってきた反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐは、上述したように送信機１００のＤＭ１２３を部分的に透過し、ＤＭ１１２で反射して光検出器ＰＤ３へ入射する。その際、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１２１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１２１の出力光の強度が大きく低下する場合もある。したがって受信機２００で反射して戻ってきた反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐの減衰率（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の強度低下およびビームエクスパンダ１２１での反射受信プローブ光Ｓｒ’ｐの強度低下も反映する。すなわち、反射受信プローブ光Ｓｒ’ｐ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および１２１の出力光の集光位置ずれ等によっても発生し得る。本実施例によれば、受信機２００で反射して戻ってきた反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐを用いてプローブ光の減衰率（１－γ）を計測し、減衰率（１－γ）に応じてレーザ光源１０１からの送信光パルスの強度およびパルス幅を制御する。
【0056】
受信機２００は、ビームエクスパンダ２１０およびＤＭ２１１の他に、信号光学系、参照光学系および信号検出部を含む。制御部２０９は受信機２００の全体的動作を制御する。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、ミラー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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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すると、ミラー２０４で反射し、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。
【0060】
ここで受信信号光パルスＰｒＱの経路は送信機１００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１００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１００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１００および受信機２００の光学的構成は図１で説明した干渉計を構成している。
【0061】
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。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１００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、π／２、π、３π／２）を施すが、受信機２００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、π／２）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。
【0062】
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、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。
【0063】
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。図２において説明したように、レーザ光源１０１からの送信光パルスの強度およびパルス幅は、反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐを用いて計算された減衰率（１－γ）に従って、自由空間３００での減衰を補うように制御される（図２のステップＳ３）。これにより受信機２００で得られる信号出力ＩｏｕｔのＳＮ比および出力安定性を改善することができる。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。
【0064】
２．３）送信光パルスの変調制御
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送信機１００と受信機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５に例示するように、制御部１０９は減衰率計算部１１３から減衰率（１－γ）を通信タイムスロット毎に取得し、レーザ光源１０１の送信光パルスの強度およびパルス幅を制御する。
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送信機１００と受信機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５に例示するように、制御部１０９は減衰率計算部１１３から減衰率（１－γ）を通信タイムスロット毎に取得し、レーザ光源１０１の送信光パルスの強度およびパルス幅を制御する。
【0065】
図５において、制御部１０９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）、プローブ光検出器ＰＤ３は反射受信プローブ光Ｓｒ’ｐを受光してレベル信号を検出する（動作４０２）。減衰率計算部１１３はプローブ光検出器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に基づいて現時点での減衰率（１－γ）として計算する（動作４０３）。制御部１０９は、現時点での減衰率（１－γ）に応じて、送信光パルスの強度（Ｐ／γ）およびパルス幅（γｔ）を出力するようにレーザ光源１０１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）、前回設定された送信光パルスの強度およびパルス幅が維持される。
【0066】
このように送信機１００の制御部１０９は、減衰率（１－γ）に応じて送信光パルスの強度（Ｐ／γ）およびパルス幅（γｔ）を制御することで、受信機２００で得られる信号出力Ｉｏｕｔの信号レベルを所定範囲に維持することができる。たとえば受信機２００に届いた光パルスの減衰分が大きく（あるいは小さく）なるに従って（γの値が小さく（あるいは大きく）なるに従って）、送信光パルスの強度をＰ／γに、パルス幅をγｔに制御する。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の信号レベルを安定的に維持することができる。
【0067】
なお、制御部１０９および減衰率計算部１１３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。
【0068】
３．第２実施例
図６に例示するように、本発明の第２実施例によるシステムは、送信機１００ａのプローブ光学系の構成が図３に示す第１実施例とは異なる。以下、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要素には同一参照番号を付して説明は省略する。
図６に例示するように、本発明の第２実施例によるシステムは、送信機１００ａのプローブ光学系の構成が図３に示す第１実施例とは異なる。以下、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要素には同一参照番号を付して説明は省略する。
【0069】
送信機１００ａのプローブ光学系はレーザ光源１１１、光サーキュレータ１１４およびプローブ光検出器ＰＤ３を含み、第１実施例のようにＤＭ１１２が不要となる。光サーキュレータ１１４はレーザ光源１１１とビームエクスパンダ１２２との間に設けられ、プローブ光Ｓｐをレーザ光源１１１からビームエクスパンダ１２２へ、受信機２００から戻ってきた反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐをビームエクスパンダ１２２からプローブ光検出器ＰＤ３へ出力する。本実施例によれば、ＤＭ１２３ａは、波長λ１の参照光パルスＰＬＯおよび信号光パルスＰＱを透過させ、波長λ２のプローブ光ＳＰおよび反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐを反射させるように構成される。
【0070】
このように光サーキュレータ１１４を設けることで、受信機２００で反射して戻ってきた波長λ２の反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐはビームエックスパンダ１２２からプローブ光検出器ＰＤ３へ入射する。上述したように、減衰率計算部１１３は反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐの強度を用いて減衰率（１－γ）を計算し、この減衰率（１－γ）に従ってレーザ光源１０１からの送信光パルスの強度およびパルス幅が変調される。その他の構成及び機能は第１実施例と同様であるから説明は省略する。
【0071】
４．第２実施形態
上述した第１実施形態、第１および第２実施例によれば、プローブ光Ｓｐが受信機（Ｂｏｂ）で反射し、送信機（Ａｌｉｃｅ）が反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐを用いて減衰率（１－γ）を計算した。本発明は、これに限定されるものではなく、受信機（Ｂｏｂ）で受信プローブ光ＳｒＰを用いて減衰率（１－γ）を計算し、その減衰率（１－γ）の情報を送信機（Ａｌｉｃｅ）へ通知してもよい。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要素には同一参照番号を付して説明は省略する。
上述した第１実施形態、第１および第２実施例によれば、プローブ光Ｓｐが受信機（Ｂｏｂ）で反射し、送信機（Ａｌｉｃｅ）が反射受信プローブ光Ｓｒ’Ｐを用いて減衰率（１－γ）を計算した。本発明は、これに限定されるものではなく、受信機（Ｂｏｂ）で受信プローブ光ＳｒＰを用いて減衰率（１－γ）を計算し、その減衰率（１－γ）の情報を送信機（Ａｌｉｃｅ）へ通知してもよい。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要素には同一参照番号を付して説明は省略する。
【0072】
図７に示すように、本発明の第２実施形態によるシステムでは、第１実施形態と同様に送信機（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。第２実施形態によれば、送信機（Ａｌｉｃｅ）は減衰率計算部を持たず、受信機（Ｂｏｂ）がプローブ光検出器ＰＤ３、減衰率計算部２０および光増幅器制御部２１を有する。
【0073】
プローブ光検出器ＰＤ３は、送信機（Ａｌｉｃｅ）から自由空間伝送路Ｃを通して届いた波長λ２の受信プローブ光ＳｒＰを受光する。減衰率計算部２０は、プローブ光検出器ＰＤ３の出力を用いて減衰率（１－γ）を計算する。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。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。送信機（Ａｌｉｃｅ）のパルス変調制御部１９は、既に説明したように減衰率（１－γ）に応じて送信光パルスの強度およびパルス幅を変調する。
【0074】
さらに、受信機（Ｂｏｂ）において、光増幅器制御部２１は減衰率（１－γ）に応じて受信参照光ＬＯの光増幅率を制御し、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。より詳しくは、受信プローブ光ＳｒＰの強度が小さくなる（透過率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上昇させ、受信プローブ光ＳｒＰの強度が大きく（透過率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下降させる。これにより環境に起因する減衰率（あるいは透過率）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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
上述したように、第２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）を計算し、それを送信機（Ａｌｉｃｅ）へ通知する。送信機（Ａｌｉｃｅ）は減衰率（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。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。このように送信機（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。
【0078】
５．第３実施例
本発明の第３実施例による量子暗号通信システムは、上述した第２実施形態（図７）の一例である。以下、図８および図９を参照しながら、図３および図４に示す第１実施例および第２実施例とは異なる構成および機能について説明し、同様の構成部分については同一参照番号を付して説明は省略する。
本発明の第３実施例による量子暗号通信システムは、上述した第２実施形態（図７）の一例である。以下、図８および図９を参照しながら、図３および図４に示す第１実施例および第２実施例とは異なる構成および機能について説明し、同様の構成部分については同一参照番号を付して説明は省略する。
【0079】
図８および図９に例示するように、本発明の第３実施例による量子暗号通信システムは送信機１００ｂと受信機２００ｂとからなり、送信機１００ｂと受信機２００ｂとが自由空間３００を光伝送路として光学的に接続され、さらに通常の通信ネットワークＤにより通信可能に接続されている。
【0080】
５．１）送信機
図８において、送信機１００ｂは信号光学系、プローブ光学系、送信光学系１１０、制御部１３１および通信部１３２を有する。信号光学系は、レーザ光源１０１ａ、強度変調器１３０、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。レーザ光源１０１ａはパルス光ではなく波長λ１の連続光を出力するものとする。
図８において、送信機１００ｂは信号光学系、プローブ光学系、送信光学系１１０、制御部１３１および通信部１３２を有する。信号光学系は、レーザ光源１０１ａ、強度変調器１３０、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。レーザ光源１０１ａはパルス光ではなく波長λ１の連続光を出力するものとする。
【0081】
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、送信光学系１１０を通して自由空間３００へ送出する。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。なお、送信光学系１１０は第２実施例と同様の構成および機能を有するので、説明は省略する。
【0082】
強度変調器１３０はレーザ光源１０１ａ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１０１ａは制御部１３１の制御に従って波長λ１で直線偏光の連続光を強度変調器１３０へ出力する。強度変調器１３０は、制御部１３１の制御に従って連続光を強度Ｐ／λおよびパルス幅λｔの送信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１３１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の送信光パルスを出力する。
【0084】
通信部１３２は受信機２００ｂから通信ネットワークＤを通して減衰率（１－γ）を含む情報を受信し、制御部１３１へ出力する。制御部１３１は、減衰率（１－γ）に応じて強度変調器１３０を制御して強度Ｐ／γおよびパルス幅γｔの送信光パルスを生成する。さらに制御部１３１は減衰器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１３１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。
【0085】
５．２）受信機
図９に示すように、受信機２００ｂは第１実施例と同様の構成を有するが、ミラー２０４の代わりにＤＭ２２０が設けられ、減衰率計算部２２１、通信部２２２および制御部２２３を有する点が異なっている。以下、第１実施例と同様の構成については同じ参照番号を付して説明を省略し、主に異なる構成および機能について説明する。
図９に示すように、受信機２００ｂは第１実施例と同様の構成を有するが、ミラー２０４の代わりにＤＭ２２０が設けられ、減衰率計算部２２１、通信部２２２および制御部２２３を有する点が異なっている。以下、第１実施例と同様の構成については同じ参照番号を付して説明を省略し、主に異なる構成および機能について説明する。
【0086】
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、受信プローブ光Ｓｒｐおよび受信参照光パルスＰｒＬＯと信号光パルスＰｒＱとは偏光面が直交している。したがって、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を透過するが、受信プローブ光Ｓｒｐおよび受信参照光パルスＰｒＬＯは偏光ビームスプリッタ２０１で反射する。
【0087】
偏光ビームスプリッタ２０１で反射した受信プローブ光Ｓｒｐおよび受信参照光パルスＰｒＬＯはＤＭ２２０に入射する。ＤＭ２２０は、送信側のＤＭ１２３ａ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、ＤＭ２２０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。
【0088】
ＤＭ２２０を透過した受信プローブ光Ｓｒｐはプローブ光検出器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。
【0089】
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。
【0090】
制御部２２３は、減衰率（１－γ）を含む情報を通信部２２２および通信ネットワークＤを通して送信機１００ｂへ送信する。また制御部２２３は、上述した位相変調器２０６の位相制御に加えて、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２２３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。
【0091】
５．３）通信制御
図１０に示すように、送信機１００ｂの制御部１３１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２００ｂへ送信する（動作５０２）。受信機２００ｂ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）を計算し、減衰率（１－γ）を送信機１００ｂへ送信する。
図１０に示すように、送信機１００ｂの制御部１３１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２００ｂへ送信する（動作５０２）。受信機２００ｂ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）を計算し、減衰率（１－γ）を送信機１００ｂへ送信する。
【0092】
通信部１３２は通信ネットワークＤを通して受信機２００ｂ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１３１へ出力する（動作５０３）。制御部１３１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を変調する（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。
【0093】
図１１において、受信機２００ｂの制御部２２３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）、プローブ光検出器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はプローブ光検出器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２２３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２２３は、通信ネットワークＤを通して減衰率（１－γ）を送信機１００ｂ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。
【0094】
以上述べたように、第３実施例によるシステムは、送信機１００ｂがプローブ光Ｓｐを自由空間３００を通して受信機２００ｂへ送信し、受信機２００ｂが減衰率（１－γ）を算出し、その減衰率（１－γ）を送信機１００ｂへ送信する。受信機２００ｂ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１００ｂ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１００ｂでの強度およびパルス幅制御および受信機２００ｂでの増幅率制御により、受信機２００ｂ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。
【0095】
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、コヒーレント光の送信光パルス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、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する制御部と、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、前記受信参照光と前記受信信号光とを干渉させることで信号出力を生成する信号検出部と、を備え、
前記送信機あるいは前記受信機のいずれか一方が、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率を計算する減衰率計算部を有し、
前記制御部が、前記減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する、
ことを特徴とする量子暗号通信システム。
（付記２）
前記制御部は、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を当該送信光パルスのエネルギを変化させずに変調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）
前記所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の透過率をγとして、前記減衰率を（１－γ）、前記送信光パルスの強度をＰｓ、および前記送信光パルスの幅をｔとすれば、前記制御部は、前記減衰率（１－γ）に応じて前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅をそれぞれＰｓ／γおよびγｔに変調することを特徴とする付記２に記載の量子暗号通信システム。
（付記４）
前記受信機は前記光伝送路を通して届いた前記プローブ光を前記光伝送路へ反射するミラーを更に有し、
前記送信機は、前記減衰率計算部を有し、前記減衰率計算部が前記受信機の前記ミラーから反射されたプローブ光を用いて前記減衰率を計算する、
ことを特徴とする付記１－３のいずれか１項に記載の量子暗号通信システム。
（付記５）
前記受信機は、前記減衰率計算部を有し、前記減衰率計算部が前記光伝送路を通して届いた前記プローブ光をを用いて前記減衰率を計算し、前記減衰率を前記送信機へ通知する、ことを特徴とする付記１－３のいずれか１項に記載の量子暗号通信システム。
（付記６）
前記送信機が、前記信号光および前記参照光と前記プローブ光とを前記光伝送路へ送信する送信光学系を有し、
前記受信機が、前記光伝送路を通して前記信号光および前記参照光と前記プローブ光とを受信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１－３のいずれか１項に記載の量子暗号通信システム。
（付記７）
前記受信機は前記光受信部と前記信号検出部との間に前記受信参照光のみ増幅する光増幅器を有し、
前記光増幅器の光増幅率が前記減衰率に応じて制御されることを特徴とする付記１－３のいずれか１項に記載の量子暗号通信システム。
（付記８）
量子暗号通信システムにおいて、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受信機とが光学的に接続された送信機であって、
コヒーレント光の送信光パルス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が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する制御部と、
を有することを特徴とする送信機。
（付記９）
前記制御部は、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を当該送信光パルスのエネルギを変化させずに変調することを特徴とする付記８に記載の送信機。
（付記１０）
前記所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の透過率をγとして、前記減衰率を（１－γ）、前記送信光パルスの強度をＰｓ、および前記送信光パルスの幅をｔとすれば、前記制御部は、前記減衰率（１－γ）に応じて前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅をそれぞれＰｓ／γおよびγｔに変調することを特徴とする付記９に記載の送信機。
（付記１１）
前記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、
前記受信機で反射された前記プローブ光を前記光伝送路を通して受光するプローブ光検出器と、
前記プローブ光検出器の検出出力を用いて前記減衰率を計算する減衰率計算部と、
を更に有する付記８－１０のいずれか１項に記載の送信機。
（付記１２）
前記減衰率を前記受信機から受信することを特徴とする付記８－１０のいずれか１項に記載の送信機。
（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、
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、信号検出部が前記受信参照光と前記受信信号光とを干渉させることで信号出力を生成し、
前記送信機あるいは前記受信機のいずれか一方に設けられた減衰率計算部が、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率を計算し、
前記送信機の制御手段が、前記減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する、
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１４）
量子暗号通信システムにおいて、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受信機とが光学的に接続された送信機の送信制御方法であって、
光送信部が、コヒーレント光の送信光パルス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し、
制御部が、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する、
ことを特徴とする送信制御方法。
（付記１５）
前記制御部は、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を当該送信光パルスのエネルギを変化させずに変調することを特徴とする付記１４に記載の送信制御方法。
（付記１６）
前記所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の透過率をγとして、前記減衰率を（１－γ）、前記送信光パルスの強度をＰｓ、および前記送信光パルスの幅をｔとすれば、前記制御部は、前記減衰率（１－γ）に応じて前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅をそれぞれＰｓ／γおよびγｔに変調することを特徴とする付記１５に記載の送信制御方法。
（付記１７）
プローブ光送信部が前記所定強度のプローブ光を前記光伝送路へ送出し、
プローブ光検出器が前記受信機で反射された前記プローブ光を前記光伝送路を通して受光し、
減衰率計算部が前記プローブ光検出器の検出出力を用いて前記減衰率を計算する、
ことを特徴とする付記１４－１６のいずれか１項に記載の送信制御方法。
（付記１８）
前記減衰率を前記受信機から受信することを特徴とする付記１４－１６のいずれか１項に記載の送信制御方法。
（付記１９）
量子暗号通信システムにおいて、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受信機とが光学的に接続された送信機としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
コヒーレント光の送信光パルス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機能と、
所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する機能と、
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、コヒーレント光の送信光パルス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、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する制御部と、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、前記受信参照光と前記受信信号光とを干渉させることで信号出力を生成する信号検出部と、を備え、
前記送信機あるいは前記受信機のいずれか一方が、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率を計算する減衰率計算部を有し、
前記制御部が、前記減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する、
ことを特徴とする量子暗号通信システム。
（付記２）
前記制御部は、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を当該送信光パルスのエネルギを変化させずに変調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）
前記所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の透過率をγとして、前記減衰率を（１－γ）、前記送信光パルスの強度をＰｓ、および前記送信光パルスの幅をｔとすれば、前記制御部は、前記減衰率（１－γ）に応じて前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅をそれぞれＰｓ／γおよびγｔに変調することを特徴とする付記２に記載の量子暗号通信システム。
（付記４）
前記受信機は前記光伝送路を通して届いた前記プローブ光を前記光伝送路へ反射するミラーを更に有し、
前記送信機は、前記減衰率計算部を有し、前記減衰率計算部が前記受信機の前記ミラーから反射されたプローブ光を用いて前記減衰率を計算する、
ことを特徴とする付記１－３のいずれか１項に記載の量子暗号通信システム。
（付記５）
前記受信機は、前記減衰率計算部を有し、前記減衰率計算部が前記光伝送路を通して届いた前記プローブ光をを用いて前記減衰率を計算し、前記減衰率を前記送信機へ通知する、ことを特徴とする付記１－３のいずれか１項に記載の量子暗号通信システム。
（付記６）
前記送信機が、前記信号光および前記参照光と前記プローブ光とを前記光伝送路へ送信する送信光学系を有し、
前記受信機が、前記光伝送路を通して前記信号光および前記参照光と前記プローブ光とを受信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１－３のいずれか１項に記載の量子暗号通信システム。
（付記７）
前記受信機は前記光受信部と前記信号検出部との間に前記受信参照光のみ増幅する光増幅器を有し、
前記光増幅器の光増幅率が前記減衰率に応じて制御されることを特徴とする付記１－３のいずれか１項に記載の量子暗号通信システム。
（付記８）
量子暗号通信システムにおいて、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受信機とが光学的に接続された送信機であって、
コヒーレント光の送信光パルス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が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する制御部と、
を有することを特徴とする送信機。
（付記９）
前記制御部は、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を当該送信光パルスのエネルギを変化させずに変調することを特徴とする付記８に記載の送信機。
（付記１０）
前記所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の透過率をγとして、前記減衰率を（１－γ）、前記送信光パルスの強度をＰｓ、および前記送信光パルスの幅をｔとすれば、前記制御部は、前記減衰率（１－γ）に応じて前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅をそれぞれＰｓ／γおよびγｔに変調することを特徴とする付記９に記載の送信機。
（付記１１）
前記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、
前記受信機で反射された前記プローブ光を前記光伝送路を通して受光するプローブ光検出器と、
前記プローブ光検出器の検出出力を用いて前記減衰率を計算する減衰率計算部と、
を更に有する付記８－１０のいずれか１項に記載の送信機。
（付記１２）
前記減衰率を前記受信機から受信することを特徴とする付記８－１０のいずれか１項に記載の送信機。
（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、
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、信号検出部が前記受信参照光と前記受信信号光とを干渉させることで信号出力を生成し、
前記送信機あるいは前記受信機のいずれか一方に設けられた減衰率計算部が、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率を計算し、
前記送信機の制御手段が、前記減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する、
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１４）
量子暗号通信システムにおいて、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受信機とが光学的に接続された送信機の送信制御方法であって、
光送信部が、コヒーレント光の送信光パルス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し、
制御部が、所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する、
ことを特徴とする送信制御方法。
（付記１５）
前記制御部は、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を当該送信光パルスのエネルギを変化させずに変調することを特徴とする付記１４に記載の送信制御方法。
（付記１６）
前記所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の透過率をγとして、前記減衰率を（１－γ）、前記送信光パルスの強度をＰｓ、および前記送信光パルスの幅をｔとすれば、前記制御部は、前記減衰率（１－γ）に応じて前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅をそれぞれＰｓ／γおよびγｔに変調することを特徴とする付記１５に記載の送信制御方法。
（付記１７）
プローブ光送信部が前記所定強度のプローブ光を前記光伝送路へ送出し、
プローブ光検出器が前記受信機で反射された前記プローブ光を前記光伝送路を通して受光し、
減衰率計算部が前記プローブ光検出器の検出出力を用いて前記減衰率を計算する、
ことを特徴とする付記１４－１６のいずれか１項に記載の送信制御方法。
（付記１８）
前記減衰率を前記受信機から受信することを特徴とする付記１４－１６のいずれか１項に記載の送信制御方法。
（付記１９）
量子暗号通信システムにおいて、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受信機とが光学的に接続された送信機としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
コヒーレント光の送信光パルス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機能と、
所定強度のプローブ光が前記光伝送路を伝搬した時の前記プローブ光の減衰率に応じて、前記送信光パルスのパルス強度およびパルス幅を変調する機能と、
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】
【0096】
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】
【0097】
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 ミラー
１８ 減衰率計算部
１９ パルス変調制御部
２０ 減衰率計算部
２１ 光増幅器制御部
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
ＰＤ３ プローブ光検出器
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 ミラー
１８ 減衰率計算部
１９ パルス変調制御部
２０ 減衰率計算部
２１ 光増幅器制御部
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
ＰＤ３ プローブ光検出器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
