特開 2024-67733 量子鍵配送システム、量子鍵配送方法およびプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024067733

(43)【公開日】2024-05-17

(54)【発明の名称】量子鍵配送システム、量子鍵配送方法およびプログラム

(51)【国際特許分類】

   H04B 10/70 20130101AFI20240510BHJP

   H04L 9/12 20060101ALI20240510BHJP

   H04J 14/06 20060101ALI20240510BHJP

   H04B 10/61 20130101ALI20240510BHJP

【ＦＩ】

H04B10/70

H04L9/12

H04J14/06

H04B10/61

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022178041

(22)【出願日】2022-11-07

(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】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100181135

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 隆史

(72)【発明者】

【氏名】川上 哲生

(72)【発明者】

【氏名】安田 和佳子

【テーマコード（参考）】

5K102

【Ｆターム（参考）】

5K102AA61

5K102AA63

5K102AB11

5K102AD15

5K102AH02

5K102AH14

5K102AH27

5K102AH31

5K102MA01

5K102MB09

5K102MC11

5K102PA01

5K102PB01

5K102PH01

5K102PH22

5K102PH31

5K102PH42

5K102PH49

5K102RD04

5K102RD26

5K102RD28

(57)【要約】

【課題】連続量量子鍵配送において、量子光の送信側と受信側とでクロックタイミングを同期させるためのクロック抽出用信号の通信を、比較的効率よく行えるようにする。
【解決手段】第１の送信装置が、送信対象のビット列を示す第１の乱数列と、送信対象のビット列の位相変調における基底を示す第２の乱数列とに基づいて、送信光における直行する２つの偏波成分のうち第１の偏波成分を位相変調し、もう一方の偏波成分である第２の偏波成分を、第２の乱数列を示す信号に変調し、光強度を減衰された第１の偏波成分と、変調された第２の偏波成分とを偏波多重し送信する。第２の送信装置は、受信光を偏波分離し、第２の乱数列を示す信号からクロックタイミングを抽出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のチャネル、および、前記第１のチャネルよりも信頼性の高い第２のチャネルにより通信接続される第１の通信装置と第２の通信装置とを備え、
前記第１の通信装置は、
送信対象のビット列を示す第１の乱数列と、前記送信対象のビット列の位相変調における基底を示す第２の乱数列とに基づいて、送信光における直行する２つの偏波成分のうち第１の偏波成分を位相変調し、もう一方の偏波成分である第２の偏波成分を、前記第２の乱数列を示す信号に変調するＤＰ－ＱＰＳＫ（Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying）変調装置と、
変調された前記第１の偏波成分の光強度を減衰させる光強度減衰器と、
光強度を減衰された前記第１の偏波成分と、変調された前記第２の偏波成分とを偏波多重し、得られた信号光を前記第１のチャネルに出力する偏波ビームスプリッタと、
を備え、
前記第２の通信装置は、
送信された信号光を偏波分離することで、微弱光と直交した成分に符号された前記第２の乱数列の読み出しと前記微弱光の受信のためのクロックタイミング抽出とを行う偏波ビームスプリッタと、
コヒーレント検波のための局所光源と、
偏波分離された成分のうち前記微弱光の成分と局所光と干渉させて直交位相成分を読み出す９０°ハイブリッドと、
読み出された直交位相成分を電気信号に変換するフォトディテクタと、
前記偏波ビームスプリッタが抽出したクロックタイミングをもとに、前記電気信号から前記第１の乱数列を読み出し量子生鍵を生成する信号処理手段と、
生成された前記量子生鍵と前記第２の乱数列とをもとに、前記第１の通信装置と前記第２の通信装置との間における前記第２のチャネルでの通信を用いた基底照合の処理を行い選別鍵を生成する基底照合手段と、
生成された前記選別鍵に対して、第１の通信装置と第２の通信装置の間における前記第２のチャネルでの通信を用いた誤り訂正を行う誤り訂正手段と、
誤り訂正後の前記選別鍵に対し、第１の通信装置と第２の通信装置の間における前記第２のチャネルでの通信を用いた秘匿性増強を行うことで量子鍵を生成する秘匿性増強手段と、
を備える、
量子鍵配送システム。

【請求項2】

前記第１の通信装置は、前記第２の乱数列を示す信号光を遅延させるディレイを備え、
前記ＤＰ－ＱＰＳＫ変調装置は、前記遅延された信号光をＤＰ－ＱＰＳＫ変調する、
請求項１に記載の量子鍵配送システム。

【請求項3】

第１のチャネル、および、前記第１のチャネルよりも信頼性の高い第２のチャネルにより通信接続される第１の通信装置と第２の通信装置とを備える量子鍵配送システムの、
前記第１の通信装置が、
送信対象のビット列を示す第１の乱数列と、前記送信対象のビット列の位相変調における基底を示す第２の乱数列とに基づいて、送信光における直行する２つの偏波成分のうち第１の偏波成分を位相変調し、もう一方の偏波成分である第２の偏波成分を、前記第２の乱数列を示す信号に変調し、
変調された前記第１の偏波成分の光強度を減衰させ、
光強度を減衰された前記第１の偏波成分と、変調された前記第２の偏波成分とを偏波多重し、得られた信号光を前記第１のチャネルに出力し、
前記第２の通信装置は、
送信された信号光を偏波分離することで、微弱光と直交した成分に符号された前記第２の乱数列の読み出しと前記微弱光の受信のためのクロックタイミング抽出とを行い、
コヒーレント検波のための局所光を出力し、
偏波分離された成分のうち前記微弱光の成分と局所光と干渉させて直交位相成分を読み出し、
読み出された直交位相成分を電気信号に変換し、
抽出したクロックタイミングをもとに、前記電気信号から前記第１の乱数列を読み出し量子生鍵を生成し、
生成された前記量子生鍵と前記第２の乱数列とをもとに、前記第１の通信装置と前記第２の通信装置との間における前記第２のチャネルでの通信を用いた基底照合の処理を行い選別鍵を生成し、
生成された前記選別鍵に対して、第１の通信装置と第２の通信装置の間における前記第２のチャネルでの通信を用いた誤り訂正を行い、
誤り訂正後の前記選別鍵に対し、第１の通信装置と第２の通信装置の間における前記第２のチャネルでの通信を用いた秘匿性増強を行うことで量子鍵を生成する、
ことを含む量子鍵配送方法。

【請求項4】

第１のチャネル、および、前記第１のチャネルよりも信頼性の高い第２のチャネルにより通信接続される第１の通信装置と第２の通信装置とを備える量子鍵配送システムの、
前記第１の通信装置を制御するコンピュータに、
送信対象のビット列を示す第１の乱数列と、前記送信対象のビット列の位相変調における基底を示す第２の乱数列とに基づいて、送信光における直行する２つの偏波成分のうち第１の偏波成分を位相変調し、もう一方の偏波成分である第２の偏波成分を、前記第２の乱数列を示す信号に変調することと、
変調された前記第１の偏波成分の光強度を減衰させることと、
光強度を減衰された前記第１の偏波成分と、変調された前記第２の偏波成分とを偏波多重し、得られた信号光を前記第１のチャネルに出力することと、
を実行させ、
前記第２の通信装置を制御するコンピュータに、
送信された信号光を偏波分離することで、微弱光と直交した成分に符号された前記第２の乱数列の読み出しと前記微弱光の受信のためのクロックタイミング抽出とを行い、
コヒーレント検波のための局所光を出力することと、
偏波分離された成分のうち微弱光の成分と局所光と干渉させて直交位相成分を読み出すことと、
読み出された直交位相成分を電気信号に変換することと、
抽出したクロックタイミングをもとに、前記電気信号から前記第１の乱数列を読み出し量子生鍵を生成することと、
生成された前記量子生鍵と前記第２の乱数列とをもとに、前記第１の通信装置と前記第２の通信装置との間における前記第２のチャネルでの通信を用いた基底照合の処理を行い選別鍵を生成することと、
生成された前記選別鍵に対して、第１の通信装置と第２の通信装置の間における前記第２のチャネルでの通信を用いた誤り訂正を行うことと、
誤り訂正後の前記選別鍵に対し、第１の通信装置と第２の通信装置の間における前記第２のチャネルでの通信を用いた秘匿性増強を行うことで量子鍵を生成することと、
を実行させるためのプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、量子鍵配送システム、量子鍵配送方法およびプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

量子鍵配送（Quantum Key Distribution；ＱＫＤ）の１つに、連続量量子鍵配送（Continuous-Variable Quantum Key Distribution；ＣＶ－ＱＫＤ）がある（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１９－５２２３９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

連続量量子鍵配送において、量子光の送信側と受信側とでクロックタイミングを同期させる必要がある。その際、量子光の強度は非常に微弱であるため、送信側と受信側とでクロックタイミングを精度よく合わせるためには量子光とは異なる強い強度のクロック抽出用信号が必要である。このクロック抽出用信号の通信を効率よく行えることが好ましい。

【0005】

本発明の目的の一例は、上述の課題を解決することのできる量子鍵配送システム、量子鍵配送方法およびプログラムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１の態様によれば、量子鍵配送システムは、第１のチャネル、および、前記第１のチャネルよりも信頼性の高い第２のチャネルにより通信接続される第１の通信装置と第２の通信装置とを備え、前記第１の通信装置は、送信対象のビット列を示す第１の乱数列と、前記送信対象のビット列の位相変調における基底を示す第２の乱数列とに基づいて、送信光における直行する２つの偏波成分のうち第１の偏波成分を位相変調し、もう一方の偏波成分である第２の偏波成分を、前記第２の乱数列を示す信号に変調するＤＰ－ＱＰＳＫ（Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying）変調装置と、変調された前記第１の偏波成分の光強度を減衰させる光強度減衰器と、光強度を減衰された前記第１の偏波成分と、変調された前記第２の偏波成分とを偏波多重し、得られた信号光を前記第１のチャネルに出力する偏波ビームスプリッタと、を備え、前記第２の通信装置は、送信された信号光を偏波分離することで、微弱光と直交した成分に符号された前記第２の乱数列の読み出しと前記微弱光の受信のためのクロックタイミング抽出とを行う偏波ビームスプリッタと、コヒーレント検波のための局所光源と、偏波分離された成分のうち前記微弱光の成分と局所光と干渉させて直交位相成分を読み出す９０°ハイブリッドと、読み出された直交位相成分を電気信号に変換するフォトディテクタと、前記偏波ビームスプリッタが抽出したクロックタイミングをもとに、前記電気信号から前記第１の乱数列を読み出し量子生鍵を生成する信号処理手段と、生成された前記量子生鍵と前記第２の乱数列とをもとに、前記第１の通信装置と前記第２の通信装置との間における前記第２のチャネルでの通信を用いた基底照合の処理を行い選別鍵を生成する基底照合手段と、生成された前記選別鍵に対して、第１の通信装置と第２の通信装置の間における前記第２のチャネルでの通信を用いた誤り訂正を行う誤り訂正手段と、誤り訂正後の前記選別鍵に対し、第１の通信装置と第２の通信装置の間における前記第２のチャネルでの通信を用いた秘匿性増強を行うことで量子鍵を生成する秘匿性増強手段と、を備える。

【0007】

本発明の第２の態様によれば、量子鍵配送方法は、第１のチャネル、および、前記第１のチャネルよりも信頼性の高い第２のチャネルにより通信接続される第１の通信装置と第２の通信装置とを備える量子鍵配送システムの、前記第１の通信装置が、送信対象のビット列を示す第１の乱数列と、前記送信対象のビット列の位相変調における基底を示す第２の乱数列とに基づいて、送信光における直行する２つの偏波成分のうち第１の偏波成分を位相変調し、もう一方の偏波成分である第２の偏波成分を、前記第２の乱数列を示す信号に変調し、変調された前記第１の偏波成分の光強度を減衰させ、光強度を減衰された前記第１の偏波成分と、変調された前記第２の偏波成分とを偏波多重し、得られた信号光を前記第１のチャネルに出力し、前記第２の通信装置は、送信された信号光を偏波分離することで、微弱光と直交した成分に符号された前記第２の乱数列の読み出しと前記微弱光の受信のためのクロックタイミング抽出とを行い、コヒーレント検波のための局所光を出力し、偏波分離された成分のうち前記微弱光の成分と局所光と干渉させて直交位相成分を読み出し、読み出された直交位相成分を電気信号に変換し、抽出したクロックタイミングをもとに、前記電気信号から前記第１の乱数列を読み出し量子生鍵を生成し、生成された前記量子生鍵と前記第２の乱数列とをもとに、前記第１の通信装置と前記第２の通信装置との間における前記第２のチャネルでの通信を用いた基底照合の処理を行い選別鍵を生成し、生成された前記選別鍵に対して、第１の通信装置と第２の通信装置の間における前記第２のチャネルでの通信を用いた誤り訂正を行い、誤り訂正後の前記選別鍵に対し、第１の通信装置と第２の通信装置の間における前記第２のチャネルでの通信を用いた秘匿性増強を行うことで量子鍵を生成する、ことを含む。

【0008】

本発明の第３の態様によれば、プログラムは、第１のチャネル、および、前記第１のチャネルよりも信頼性の高い第２のチャネルにより通信接続される第１の通信装置と第２の通信装置とを備える量子鍵配送システムの、前記第１の通信装置を制御するコンピュータに、送信対象のビット列を示す第１の乱数列と、前記送信対象のビット列の位相変調における基底を示す第２の乱数列とに基づいて、送信光における直行する２つの偏波成分のうち第１の偏波成分を位相変調し、もう一方の偏波成分である第２の偏波成分を、前記第２の乱数列を示す信号に変調することと、変調された前記第１の偏波成分の光強度を減衰させることと、光強度を減衰された前記第１の偏波成分と、変調された前記第２の偏波成分とを偏波多重し、得られた信号光を前記第１のチャネルに出力することと、を実行させ、前記第２の通信装置を制御するコンピュータに、送信された信号光を偏波分離することで、微弱光と直交した成分に符号された前記第２の乱数列の読み出しと前記微弱光の受信のためのクロックタイミング抽出とを行い、コヒーレント検波のための局所光を出力することと、偏波分離された成分のうち前記微弱光の成分と局所光と干渉させて直交位相成分を読み出すことと、読み出された直交位相成分を電気信号に変換することと、抽出したクロックタイミングをもとに、前記電気信号から前記第１の乱数列を読み出し量子生鍵を生成することと、生成された前記量子生鍵と前記第２の乱数列とをもとに、前記第１の通信装置と前記第２の通信装置との間における前記第２のチャネルでの通信を用いた基底照合の処理を行い選別鍵を生成することと、生成された前記選別鍵に対して、第１の通信装置と第２の通信装置の間における前記第２のチャネルでの通信を用いた誤り訂正を行うことと、誤り訂正後の前記選別鍵に対し、第１の通信装置と第２の通信装置の間における前記第２のチャネルでの通信を用いた秘匿性増強を行うことで量子鍵を生成することと、を実行させるためのプログラムである。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、連続量量子鍵配送において、量子光の送信側と受信側とでクロックタイミングを同期させるためのクロック抽出用信号の通信を、比較的効率よく行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る量子鍵配送システムの構成を示すブロック図である。

【図2】実施形態に係る量子鍵配送システム１が量子鍵配送を行う処理手順の例を示す図である。

【図3】実施形態に係る量子ユニット１００および量子ユニット２００の構成を示すブロック図である。

【図4】実施形態に係る位相変調器が光を変調する際の位相について説明するためのＩ－Ｑ平面図である。

【図5】実施形態に係る量子鍵配送システムの構成のもう１つの例を示す図である。

【図6】実施形態に係る量子鍵配送方法における処理の手順の例を示す図である。

【図7】少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、実施形態に係る量子鍵配送システムの構成を示すブロック図である。図１において、量子鍵配送システム１は送信機１０および受信機２０を備える。送信機１０は、量子ユニット１００と、鍵生成制御部１１０と、メモリ１２０と、基底照合部１３０と、誤り訂正部１４０と、秘匿性増強部１５０と、ディレイ（Ｄｅｌａｙ）１６０と、乱数生成器１０００とを備える。受信機２０は、量子ユニット２００と、鍵生成制御部２１０と、メモリ２２０と、基底照合部２３０と、誤り訂正部２４０と、秘匿性増強部２５０とを備える。

【0012】

送信機１０と受信機２０とは、量子チャネル３０および古典チャネル４０により通信接続されている。ここで、量子チャネルは送信機１０から受信機２０へ送信する微弱光を送受信する通信チャネルである。ここでいう微弱光は、例えば、光パワーが１フォトン／ビット（photon/bit）以下程度で量子的に振る舞う光である。量子チャネル３０は、例えば光ファイバを用いて構成される。量子チャネル３０は、第１のチャネルの例に該当する。

【0013】

なお、送信機１０の「送信」との表記、および、受信機２０の「受信」との表記は、何れも説明の便宜上のものであり、受信機２０から送信機１０へデータの送信を行ってもよい。特に、受信機２０は、古典チャネル４０を用いて、量子鍵配送における処理を行うための情報を送信機１０へ送信する。
送信機１０は、第１の通信装置の例に該当する。受信機２０は、第２の通信装置の例に該当する。

【0014】

古典チャネル４０は、量子チャネル３０よりも信頼性の高いチャネルである。通信チャネルの信頼性が高いとは、例えばビットエラーレート（Bit Error Rate；ＢＥＲ）が低いことである。
以下では、説明の便宜上、古典チャネル４０として誤りのない通信チャネルを想定する。ここでいう誤りがないことは、誤り訂正によって全ての通信誤りを訂正可能であること、または、誤り検出によって全ての誤りを検出し再送できることであってもよい。古典チャネル４０における通信方式は、特定の方式に限定されない。古典チャネル４０は、第２のチャネルの例に該当する。

【0015】

量子鍵配送システム１は、量子鍵配送を行う。量子鍵配送では、暗号鍵の素となる乱数列を、量子光を用いて伝送する。これにより、送信機１０と、受信機２０とで、安全な鍵共有が可能となる。量子鍵配送システム１は、量子的なふるまいが確認できる程度に強度を下げた光を利用して量子鍵配送を行う。これにより、暗号鍵が漏洩しないことを量子力学的に保証することができ、高い秘匿性を実現することができる。

【0016】

図２は、量子鍵配送システム１が量子鍵配送を行う処理手順の例を示す図である。
図２では、量子鍵配送システム１が量子鍵配送を行う処理ステップとして、（１）微弱光伝送（光子伝送）、（２）基底照合、（３）誤り訂正、（４）秘匿性増強、の４つのステップが示されている。

【0017】

（１）微弱光伝送では、送信機１０は、量子鍵の素となるビット値（２値）の乱数列を、量子チャネル３０における光通信にて、ＤＰ－ＱＰＳＫ（Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying）変調方式で送信する。その際、送信機１０は、量子鍵の素となるビットごとに、２つの基底のうち何れか一方をランダムに選択し、選択した基底を用いて信号光を変調して、量子鍵の素となるビット値を表現する。

【0018】

ここでいう基底は、変調においてデータの表現に用いられる状態のうち２つの状態の組み合わせである。基底の選択とは、複数の基底のうちの何れかを、変調に用いる基底として選択することである。後述するように、量子鍵配送システム１は、位相変調における０°の位相と１８０°の位相との組み合わせを１つの基底として用い、９０°の位相と２７０°の位相との組み合わせをもう１つの基底として用いる。

【0019】

量子鍵配送システム１は、連続量量子鍵配送にて量子鍵の配送を行う。連続量量子鍵配送では、受信機は、コヒーレント検波により光電場の状態を測定して暗号鍵を生成する。コヒーレント検波では、信号光を局所光と干渉させることで空間的、時間的、波長的にフィルタリングして信号状態を読み出す。ここでの局所光として、受信機が備えるレーザ光源からのレーザ光が用いられる。この局所光を局発光とも称する。連続量量子鍵配送を、連続量ＱＫＤとも表記する。

【0020】

ここで、量子鍵配送の方式として、連続量ＱＫＤの他に、離散量ＱＫＤ（離散量量子鍵配送）がある。離散量ＱＫＤでは、受信機は、光子検出器を用いて光子の有無から暗号鍵を生成する。連続量ＱＫＤは、一般的な光部品で実現可能であり、光子検出器を用いる離散量ＱＫＤと比較して低コストに実現できる。また、連続ＱＫＤでは、局所光を用いたフィルタリングにより一般通信光と伝送経路が共存するＱＫＤを実現できる。

【0021】

コヒーレント検波では、光パワーの強い局所光を信号光と干渉させることにより、信号光は光増幅効果を得ることができる。このため、信号光のパワーが１フォトン／ビット以下の微弱な状態であっても、一般的なフォトディテクタ（Photo Ditector、光検出器）を使って検波することが可能となる。

【0022】

（２）基底照合では、受信機２０は、伝送経路を通って伝わってきた微弱な量子光に符号（符号化）されている情報を、送信機１０と受信機２０とでクロックタイミングを同期させて読み出す。ここでいう、光または信号に情報を符号することは、光または信号を、その情報を示すように変調することである。

【0023】

受信機２０は、送信機１０が量子光に偏波多重して符号する、送信機１０における基底選択情報を、送信機１０からの光信号から読み出してメモリ２２０に保存する。そして、受信機２０は、保存した基底選択情報もとに、検波結果をＩ軸もしくはＱ軸に射影して０または１のビット値に変換する。これにより、受信機２０は、検波結果より量子鍵の素となるビット値を取得する。受信機２０は、検波結果からビット値を取得する際、検波した値に一定の閾値を設け、検波値の絶対値が閾値よりも小さいビットについては、ビット０かビット１か判断を誤る確率が大きいため、事後選択としてそのビットを破棄する。ここでは、ビットを破棄することは、そのビットを量子鍵に用いないことである。

【0024】

上記の（１）微弱光伝送で送信される量子光の強度は非常に微弱であり、（２）基底照合において送信者と受信者でクロックタイミングを精度よく合わせるためには量子光とは異なる強い強度のクロック抽出用信号が必要である。

【0025】

上記の（２）基底照合が完了したら、量子鍵配送システム１は、（３）誤り訂正と（４）秘匿性増強とを行う。（３）誤り訂正では、送信機１０と受信機２０とが、基底照合が完了したビットの一部を古典チャネル４０にて公開して誤り率を計測し、計測した誤り率に応じてさらにビットの一部を公開して訂正に用いることで送受信者の間で同一のビット列を共有する。（４）秘匿性増強では、受信機２０が、量子チャネル３０における雑音と損失とを計測して、盗聴者がいると想定した場合に盗聴者の得られる最大の情報量を見積もり、盗聴者が得られる情報量がゼロになるようにビット列の一部をランダムに破棄する。これにより、送信機１０と受信機２０とは、盗聴されていないことが量子力学的に保証された乱数列を共有することができる。

【0026】

送信機１０の乱数生成器１０００は、２つの乱数列を、何れもビット列にて生成する。これら２つの乱数列のうち１つは、量子鍵の素となるビット列として用いられる。この乱数列を、第１の乱数列または第１のビット列とも称する。第１の乱数列のうち一部のビットを選択して得られるビット列が、量子鍵として用いられる。

【0027】

２つの乱数列のうち、もう１つは、第１の乱数列における各ビットを送信する際に選択すべき基底を示す。この乱数列を、第２の乱数列または第２のビット列とも称する。第２の乱数列は、量子鍵の素となるビット列の符号化に用いられた基底を示す情報といえる。このことから、第２の乱数列を基底情報とも称する。また、第２の乱数列は、送信機１０が、量子鍵の素となるビット列の符号化の際に選択した基底を示す情報といえる。このことから、第２の乱数列を基底選択情報、または、送信機１０における基底選択情報とも称する。

【0028】

量子ユニット１００は、上記の（１）微弱光伝送における送信側の処理を行う。量子ユニット１００は、乱数生成器１０００が生成した鍵の素となる乱数列（第１の乱数列）と、基底選択情報となる乱数列（第２の乱数列）とを用いて微弱光を変調し、変調された微弱光を受信機２０へ送信する。量子ユニット１００は、鍵生成制御部１１０により制御に従って、微弱光の変調および受信機２０への送信を行う。

【0029】

微弱光の変調において、量子ユニット１００は、量子光にクロック抽出用信号として基底選択情報を偏波多重させる。その際、量子ユニット１００は、乱数生成器１０００が出力する基底情報（第２の乱数列）を、ディレイ１６０が時間遅延させたものを基底選択情報として偏波多重させる。

【0030】

基底情報を遅延させるのは盗聴を防ぐ目的である。受信機２０が、量子光による符号を受信するタイミングよりも後に、その符号を復号するための基底選択情報が送信されるように、ディレイ１６０による時間遅延を設ける。
盗聴者が使用する受信機が送信機１０からの量子光を受信する場合、量子光による符号を受信するよりも先に、その符号を復号するための基底選択情報を受信することができない。量子複製不可能定理より痕跡を残さず量子光を量子光の状態のまま保持することは不可能であり、盗聴者の受信機は２つの基底のうち何れかをランダムに選択してかすめ取った量子光による符号を復号することになる。この場合、盗聴者が使用する受信機は、２分の１の確率で、送信機１０が用いた基底とは異なる基底を用いて復号を行うことになり正確に復号を行うことができない。また、異なる基底の測定によって量子状態が変化し、盗聴の検知が行えるため盗聴を行う事は不可能である。

【0031】

鍵生成制御部１１０は、送信機１０の各部を制御して各種処理を行う。特に、鍵生成制御部１１０は、上記の量子ユニット１００に加えて、基底照合部１３０、誤り訂正部１４０、および秘匿性増強部１５０を制御する。鍵生成制御部１１０は、たとえばＣＰＵ（Central Processig Unit、中央処理装置）等の、プログラム制御によるプロセッサ上に、ソフトウエアにより実装可能である。

【0032】

メモリ１２０は、各種データを記憶する。例えば、メモリ１２０は、乱数生成器１０００が生成した乱数を格納する。この乱数は、量子鍵を生成する過程で鍵生成制御部１１０からアクセスされる。メモリ１２０は、送信機１０が備える記憶デバイスを用いて実装可能である。

【0033】

基底照合部１３０は、上記の（２）基底照合に係る処理を行う。基底照合部１３０は、基底照合手段の例に該当する。基底照合部１３０が行う処理で得られる乱数列を、選別鍵とも称する。
誤り訂正部１４０は、上記（３）誤り訂正に係る処理を行う。誤り訂正部１４０は、誤り訂正手段の例に該当する。
秘匿性増強部１５０は、上記の（４）秘匿性増強に係る処理を行う。秘匿性増強部１５０は、秘匿性増強手段の例に該当する。秘匿性増強部１５０が出力する乱数列は、量子鍵として用いられる。
基底照合部１３０、誤り訂正部１４０、および秘匿性増強部１５０の機能、またはこれらのうち一部は、ＣＰＵまたはＧＰＵ（Graphics Processing Unit）がソフトウエアを実行することで実装されていてもよい。あるいは、基底照合部１３０、誤り訂正部１４０、および秘匿性増強部１５０、またはこれらのうち一部は、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)またはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのハードウエアを用いて実装されていてもよい。

【0034】

受信機２０は、量子ユニット２００と、鍵生成制御部２１０と、メモリ２２０と、基底照合部２３０と、誤り訂正部２４０と、秘匿性増強部２５０とを備える。
受信機２０の量子ユニット２００は、上記の（１）微弱光伝送における受信側の処理を行う。量子ユニット２００は、鍵生成制御部２１０により制御される。

【0035】

鍵生成制御部２１０は、受信機２０の各部を制御して各種処理を行う。特に、鍵生成制御部２１０は、上記の量子ユニット２００に加えて、基底照合部２３０、誤り訂正部２４０、および秘匿性増強部２５０を制御する。鍵生成制御部２１０は、たとえばＣＰＵ等の、プログラム制御によるプロセッサ上に、ソフトウエアにより実装可能である。

【0036】

メモリ２２０は、各種データを記憶する。例えば、メモリ２２０は、量子ユニット２００から出力される量子化生鍵を格納する。この量子化生鍵は、量子鍵を生成する過程で鍵生成制御部２１０からアクセスされる。メモリ２２０は、受信機２０が備える記憶デバイスを用いて実装可能である。

【0037】

基底照合部１３０と基底照合部２３０とは、上記の（２）基底照合に係る処理を行う。基底照合部１３０と基底照合部２３０とは、基底照合手段の例に該当する。基底照合部１３０と基底照合部２３０とが出力する乱数列は、選別鍵の例に該当する。
誤り訂正部２４０は、上記（３）誤り訂正に係る処理を行う。誤り訂正部２４０は、誤り訂正手段の例に該当する。誤り訂正部２４０は、理想的には誤り訂正部１４０と同様の処理を行って、誤り訂正部１４０と同じ乱数列を出力する。

【0038】

秘匿性増強部２５０は、上記の（４）秘匿性増強に係る処理を行う。秘匿性増強部２５０は、秘匿性増強手段の例に該当する。秘匿性増強部２５０は、理想的には秘匿性増強部１５０と同様の処理を行って、秘匿性増強部１５０と同じ乱数列を出力する。秘匿性増強部２５０が出力する乱数列は、量子鍵として用いられる。

【0039】

基底照合部２３０、誤り訂正部２４０、および秘匿性増強部２５０の機能、またはこれらのうち一部は、ＣＰＵまたはＧＰＵがソフトウエアを実行することで実装されていてもよい。あるいは、基底照合部２３０、誤り訂正部２４０、および秘匿性増強部２５０、またはこれらのうち一部は、ＦＰＧＡまたはＡＳＩＣなどのハードウエアを用いて実装されていてもよい。

【0040】

送信側の鍵生成制御部１１０と受信側の鍵生成制御部２１０とは、古典チャネル４０により通信接続されている。古典チャネル４０は、送信機１０および受信機２０が、基底照合部１３０および２３０の処理、ならびに、誤り訂正部１４０および２４０の処理を実施する際に必要な情報をやり取りするために用いられる。

【0041】

図３は、量子ユニット１００および量子ユニット２００の構成を示すブロック図である。
送信機１０の量子ユニット１００は、光源１０１、光カプラ（Coupler）１０２、位相変調器（Phase Modulator）１０３－ｘ、位相変調器１０３－ｙ、可変減衰器（Variable Optical Attenuator）１０４、および偏波ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter）１０５を備える。

【0042】

位相変調器１０３－ｘと１０３－ｙとを総称して位相変調器１０３とも表記する。光源をＬＤとも表記する。光カプラをＣＰＬとも表記する。位相変調器をＰＭとも表記する。２つの位相変調器を区別する場合、位相変調器１０３－ｘをＰＭｘとも表記し、位相変調器１０３－ｙをＰＭｙとも表記する。可変減衰器をＶＯＡとも表記する。偏波ビームスプリッタをＰＢＳとも表記する。
送信機１０について上述したように、位相変調器１０３は、量子チャネル３０における光通信の信号光を、ＤＰ－ＱＰＳＫ変調方式で変調する。位相変調器１０３は、ＤＰ－ＱＰＳＫ変調装置の例に該当する。

【0043】

受信機２０の量子ユニット２００は、局所光源２０１、９０°ハイブリッド（Hybrid）２０２、フォトディテクタ２０３－ｘ、フォトディテクタ２０３－ｙ、アナログ－デジタル変換器（Analog To Digital Converter）２０４－ｘ、アナログ－デジタル変換器２０４－ｙ、デジタル信号処理回路（Digital Signal Processing Circuit）２０５、および偏波ビームスプリッタ２０６を備える。

【0044】

フォトディテクタ２０３－ｘと２０３－ｙとを総称してフォトディテクタ２０３とも表記する。アナログ－デジタル変換器２０４－ｘと２０４－ｙとを総称してアナログ－デジタル変換器２０４とも表記する。局所光源をＬＯとも表記する。フォトディテクタをＰＤとも表記する。アナログ－デジタル変換器をＡＤＣとも表記する。デジタル信号処理回路をＤＳＰとも表記する。

【0045】

送信機１０の量子ユニット１００では、光源１０１は、信号光に変換される素の光を出力する。光カプラ１０２は、光源１０１が出力する光を、Ｘ偏波の光とＹ偏波の光とに分岐する。

【0046】

位相変調器１０３－ｘは、光カプラ１０２が分岐した光のうちＸ偏波の光を変調してＸ偏波の信号光Ｅｘを生成する。位相変調器１０３－ｘは、ディレイ１６０が遅延させた基底情報に基づいてＸ偏波の光を変調することで、遅延された基底情報を表すＸ偏波の信号光Ｅｘを生成する。遅延された基底情報は、過去の基底情報ということができる。また、上記のように、基底情報は、送信機１０が選択した基底を示す基底選択情報に該当する。
受信機２０は、受信信号光を偏波分離した信号光のうち、Ｘ偏波の信号光を、クロックタイミング抽出処理および基底照合処理に用いる。

【0047】

位相変調器１０３－ｙは、光カプラ１０２が分岐した光のうちＹ偏波の光を変調してＹ偏波の信号光Ｅｙを生成する。位相変調器１０３－ｙは、”鍵の素”となるビット列を表現する乱数列である第１の乱数列と、”基底”を表現する乱数列である第２の乱数列とに基づいてＹ偏波の光を変調する。
位相変調器１０３－ｘおよび１０３－ｙの何れも、ＤＰ－ＱＰＳＫ変調方式にて光を変調する。位相変調器１０３－ｘと１０３－ｙとの組み合わせは、ＤＰ－ＱＰＳＫ変調装置の例に該当する。

【0048】

第１の乱数列、第２の乱数列の何れもビット列で表すことができ、第１の乱数列におけるビットと、第２の乱数列におけるビットとは一対一に対応している。位相変調器１０３－ｙは、第１の乱数列と第２の乱数列とで対応するビットに基づいて、第２の乱数列におけるビットが示す基底を選択する。そして、位相変調器１０３－ｙは、第１の乱数列におけるビットが示す鍵の素となるビット値を、選択した基底で表すように、Ｙ偏波の光を変調する。

【0049】

図４は位相変調器１０３－ｙが光を変調する際の位相について説明するためのＩ－Ｑ平面図である。図４では、Ｉ軸の正の方向を基準として位相を表す。Ｉ軸の正の方向における位相は０°、Ｑ軸の正の方向における位相は９０°、Ｉ軸の負の方向における位相は１８０°、Ｑ軸の負の方向における位相は２７０°である。また、図４の例では、第２の乱数列におけるビットが表す基底と、第１の乱数列におけるビットが表す、鍵の素となるビット値との組み合わせを、（基底、鍵の素）のように表す。

【0050】

基底が＋（プラス）基底のときは、位相変調器１０３－ｙは、Ｉ軸を使って変調を行う。具体的には、位相変調器１０３－ｙは、（基底、鍵の素）＝（＋、０）のとき０°の位相変調を行い、（基底、鍵の素）＝（＋、１）のとき１８０°の位相変調を行う。
基底が×（クロス）基底のときは、位相変調器１０３－ｙは、Ｑ軸を使って変調を行う。具体的には、位相変調器１０３－ｙは、（基底、鍵の素）＝（×、０）のとき、９０°の位相変調を行い、（基底、鍵の素）＝（×、１）のとき、２７０°の位相変調を行う。

【0051】

可変減衰器１０４は、Ｙ偏波の信号光Ｅｙについて、光パワーを１フォトン／ビット以下程度で量子的に振る舞う微弱な状態まで減衰する。これにより、量子力学の原理により盗聴の有無を判定可能となる。可変減衰器１０４は、光強度減衰器の例に該当する。

【0052】

偏波ビームスプリッタ１０５は、Ｘ偏波の信号光Ｅｘと、Ｙ偏波の信号光Ｅｙとを偏波多重して、信号光Ｓｘｙ＝Ｅｘ＋Ｅｙを生成する。送信機１０は、偏波多重で得られた信号光Ｓｘｙを、受信機２０へ送信する。

【0053】

受信機２０の量子ユニット２００では、偏波ビームスプリッタ２０６が、受信機２０が受信した信号光ＳｘｙをＸ偏波の信号光とＹ偏波の信号光とに分離する。
フォトディテクタ２０３－ｙは、信号光Ｓｘｙの偏波分離で得られたＸ偏波の信号光を検出して電気信号に変換する。以下では、この電気信号を、Ｘ偏波による電気信号と称する。また、フォトディテクタによる信号光の検出を検波とも称する。

【0054】

アナログ－デジタル変換器２０４－ｙは、Ｘ偏波による電気信号で符号されている基底選択情報を読み出し、読み出した基底選択情報をメモリ２２０に記憶させる。メモリ２２０が記憶する基底選択情報は、基底照合部２３０が上記の（２）基底照合に係る処理を行う際に用いられる。
アナログ－デジタル変換器２０４－ｙは、基底選択情報の読み出しに加えて基底選択情報のクロックタイミングを抽出する。アナログ－デジタル変換器２０４－ｙが抽出したクロックタイミングを示す信号は、アナログ－デジタル変換器２０４－ｘが行う処理におけるトリガとして使用される。

【0055】

アナログ－デジタル変換器２０４－ｘに入力される信号は量子光でありその強度は非常に小さいためクロックタイミングの抽出は困難である。そこで、量子鍵配送システム１は、基底選択情報のクロックタイミングをトリガに用いる。これにより、量子鍵配送システム１では、精度良くクロックタイミングの取得を行うことができる。

【0056】

９０°ハイブリッド２０２は、信号光Ｓｘｙの偏波分離で得られたＹ偏波の信号光を局所光Ｓｘ’ｙ’と干渉させる。これにより、Ｙ偏波の信号光は、局所光の任意の偏波面Ｘ’およびＹ’に投射され、偏波面Ｘ’に投射された信号光Ｅｘ’と偏波面Ｙ’に投射された信号光Ｅｙ’とがフォトディテクタ２０３－ｘへ入力される。

【0057】

フォトディテクタ２０３－ｘは、信号光Ｅｘ’と信号光Ｅｙ’とを検出し、それぞれ電気信号に変換する。ここでの変換で得られる電気信号を、信号光Ｅｘ’による電気信号、および、信号光Ｅｙ’による電気信号とも称する。

【0058】

アナログ－デジタル変換器２０４－ｘは、信号光Ｅｘ’による電気信号と、信号光Ｅｙ’による電気信号とを、それぞれ量子化(アナログ－デジタル変換)する。信号光Ｅｘ’による電気信号が量子化された信号を、デジタル電気信号ｅｘ’とも称する。信号光Ｅｙ’による電気信号が量子化された信号を、デジタル電気信号ｅｙ’とも称する。

【0059】

デジタル信号処理回路２０５は、デジタル電気信号ｅｘ’とデジタル電気信号ｅｙ’とに対する偏波分離処理を行う。デジタル信号処理回路２０５が行う偏波分離処理は、偏波面Ｅｘ’と偏波面Ｅｙ’とによる座標系を、Ｘ偏波における偏波面と、Ｙ偏波における偏波面とによる座標系に変換する座標変換に相当する。デジタル信号処理回路２０５が偏波分離処理を行う手法として、公知の手法を用いることができる。デジタル信号処理回路２０５は、偏波分離処理により、信号光Ｅｘに相当するデジタル信号ｅｘと、信号光Ｅｙに相当するデジタル信号ｅｙとを生成する。デジタル信号処理回路２０５は、デジタル信号ｅｙが示すビット列をメモリ２２０に記憶させる。このビット列は量子化生鍵として用いられ、上記の（２）基底照合、（３）誤り訂正、および、（４）秘匿性増強を経て量子鍵になる。（２）基底照合、（３）誤り訂正、および、（４）秘匿性増強を、鍵蒸留処理とも称する。
デジタル信号処理回路２０５は、信号処理手段の例に該当する。

【0060】

量子鍵配送システム１によれば、連続量ＱＫＤにおいて量子光にクロック抽出用信号として基底選択情報を偏波多重させて符号することで、連続量ＱＫＤの波長利用効率および信号品質を向上させることができる。

【0061】

以上のように、量子鍵配送システム１は、量子チャネル３０、および、量子チャネル３０よりも信頼性の高い古典チャネル４０により通信接続される送信機１０と受信機２０とを備える。
送信機１０の位相変調器１０３は、送信対象のビット列を示す第１の乱数列と、送信対象のビット列の位相変調における基底を示す第２の乱数列とに基づいて、送信光における直行する２つの偏波成分のうち第１の偏波成分を位相変調する。また、位相変調器１０３は、もう一方の偏波成分である第２の偏波成分を、第２の乱数列を示す信号に変調する。
可変減衰器１０４は、変調された第１の偏波成分の光強度を減衰させる。
偏波ビームスプリッタ１０５は、光強度を減衰された第１の偏波成分と、変調された第２の偏波成分とを偏波多重し、得られた信号光を量子チャネル３０に出力する。

【0062】

受信機２０の偏波ビームスプリッタ２０６は、送信機１０から量子チャネル３０を経由して送信された信号光を偏波分離することで、微弱光と直交した成分に符号された第２の乱数列の読み出しと微弱光受信のためのクロックタイミング抽出とを行う。
局所光源２０１は、コヒーレント検波のための光を出力する。

【0063】

９０°ハイブリッドは、偏波分離された成分のうち微弱光の成分と局所光とを干渉させて直交位相成分を読み出す。
フォトディテクタ２０３は、読み出された直交位相成分を電気信号に変換する。
デジタル信号処理回路２０５は、偏波ビームスプリッタ２０６が抽出したクロックタイミングをもとに、電気信号から第１の乱数列を読み出し量子生鍵を生成する。

【0064】

基底照合部２３０は、生成された量子生鍵と第２の乱数列とをもとに、送信機１０と受信機２０との間における第２のチャネルでの通信を用いた基底照合の処理を行い選別鍵を生成する。
誤り訂正部２４０は、生成された選別鍵に対して送信機１０と受信機２０との間における第２のチャネルでの通信を用いた誤り訂正を行う。
秘匿性増強部２５０は、誤り訂正後の選別鍵に対し、送信機１０と受信機２０との間における第２のチャネルでの通信を用いた秘匿性増強を行うことで量子鍵を生成する。

【0065】

このように、送信機１０が、量子光に基底選択情報を偏波多重させ、受信機２０が、この基底選択情報をクロック抽出用信号として用いる。量子鍵配送システム１によれば、この点で、連続量量子鍵配送において、量子光の送信側と受信側とでクロックタイミングを同期させるためのクロック抽出用信号の通信を、比較的効率よく行うことができる。また、量子鍵配送システム１によれば、受信機２０が、量子光とは異なる強い強度のクロック抽出用信号を取得することができる点で、信号品質を向上させることができる。
また、量子鍵配送システム１では、量子光と、クロック抽出用信号として用いられる基底選択情報とを偏波多重させて同時に送信する点で、伝送経路上での波長分散の影響を軽減することができ、この点でも信号品質を向上させることができる。

【0066】

また、送信機１０のディレイ１６０は、第２の乱数列を示す信号光を遅延させる。位相変調器１０３は、遅延された信号光をＤＰ－ＱＰＳＫ変調する。
量子鍵配送システム１によれば、盗聴を防止することができ、かつ、量子光をコヒーレント検波した乱数列を記憶するための記憶容量を比較的小さくすることができる。

【0067】

具体的には、盗聴者が使用する受信機は、量子光による符号を受信するよりも先に、その符号を復号するための基底選択情報を受信することができない。これにより、上記のように、盗聴を防止することができる。
また、送信機１０は、量子光の送信完了前に基底選択情報の送信を開始することができる。これにより、受信機２０は、量子光をコヒーレント検波した乱数列を全て記憶する必要はなく、この点で、記憶容量を比較的小さくすることができる。

【0068】

図５は、実施形態に係る量子鍵配送システムの構成のもう１つの例を示す図である。図５に示す構成で、量子鍵配送システム６１０は、第１のチャネル６４０、および、第１のチャネル６４０よりも信頼性の高い第２のチャネル６５０により通信接続される第１の通信装置６２０と第２の通信装置６３０とを備える。

【0069】

第１の通信装置６２０は、ＤＰ－ＱＰＳＫ変調装置６２１と、光強度減衰器６２２と、偏波ビームスプリッタ６２３と、を備える。第２の通信装置６３０は、偏波ビームスプリッタ６３１と、局所光源６３２と、９０°ハイブリッド６３３と、フォトディテクタ６３４と、信号処理部６３５と、基底照合部６３６と、誤り訂正部６３７と、秘匿性増強部６３８と、を備える。

【0070】

かかる構成で、ＤＰ－ＱＰＳＫ変調装置６２１は、送信対象のビット列を示す第１の乱数列と、送信対象のビット列の位相変調における基底を示す第２の乱数列とに基づいて、送信光における直行する２つの偏波成分のうち第１の偏波成分を位相変調し、もう一方の偏波成分である第２の偏波成分を、第２の乱数列を示す信号に変調する。
光強度減衰器６２２は、変調された第１の偏波成分の光強度を減衰させる。
偏波ビームスプリッタ６２３は、光強度を減衰された第１の偏波成分と、変調された第２の偏波成分とを偏波多重し、得られた信号光を第１のチャネルに出力する。

【0071】

偏波ビームスプリッタ６３１は、送信された信号光を偏波分離することで、微弱光と直交した成分に符号された第２の乱数列の読み出しと微弱光受信のためのクロックタイミング抽出とを行う。
局所光源６３２は、コヒーレント検波のための光を出力する。

【0072】

９０°ハイブリッド６３３は、偏波分離された成分のうち微弱光の成分と局所光と干渉させて直交位相成分を読み出す。
フォトディテクタ６３４は、読み出された直交位相成分を電気信号に変換する。
信号処理部６３５は、偏波ビームスプリッタ６３１が抽出したクロックタイミングをもとに、電気信号から第１の乱数列を読み出し量子生鍵を生成する。

【0073】

基底照合部６３６は、生成された量子生鍵と第２の乱数列とをもとに、第１の通信装置と第２の通信装置との間における第２のチャネルでの通信を用いた基底照合の処理を行い選別鍵を生成する。
誤り訂正部６３７は、生成された選別鍵に対して、第１の通信装置と第２の通信装置の間における第２のチャネルでの通信を用いた誤り訂正を行う。
秘匿性増強部６３８は、誤り訂正後の選別鍵に対し、第１の通信装置と第２の通信装置の間における第２のチャネルでの通信を用いた秘匿性増強を行うことで量子鍵を生成する。
信号処理部６３５は、信号処理手段の例に該当する。基底照合部６３６は、基底照合手段の例に該当する。誤り訂正部６３７は、誤り訂正手段の例に該当する。秘匿性増強部６３８は、秘匿性増強手段の例に該当する。

【0074】

このように、第１の通信装置６２０が、量子光に基底選択情報を偏波多重させ、第２の通信装置６３０が、この基底選択情報をクロック抽出用信号として用いる。量子鍵配送システム６１０によれば、この点で、連続量量子鍵配送において、量子光の送信側と受信側とでクロックタイミングを同期させるためのクロック抽出用信号の通信を、比較的効率よく行うことができる。また、量子鍵配送システム６１０によれば、第２の通信装置６３０が、量子光とは異なる強い強度のクロック抽出用信号を取得することができる点で、信号品質を向上させることができる。
また、量子鍵配送システム６１０では、量子光と、クロック抽出用信号として用いられる基底選択情報とを偏波多重させて同時に送信する点で、伝送経路上での波長分散の影響を軽減することができ、この点でも信号品質を向上させることができる。

【0075】

図６は、実施形態に係る量子鍵配送方法における処理の手順の例を示す図である。図６に示す量子鍵配送方法は、変調を行うこと（ステップＳ６２１）と、光強度を減衰すること（ステップＳ６２２）と、偏波多重を行うこと（ステップＳ６２３）と、偏波分離を行うこと（ステップＳ６３１）と、局所光を出力すること（ステップＳ６３２）と、コヒーレント検波を行うこと（ステップＳ６３３）と、光を検出すること（ステップＳ６３４）と、信号処理を行うこと（ステップＳ６３５）と、基底照合を行うこと（ステップＳ６３６）と、誤り訂正を行うこと（ステップＳ６３７）と、秘匿性増強を行うこと（ステップＳ６３８）とを含む。

【0076】

変調を行うこと（ステップＳ６２１）では、第１のチャネル、および、第１のチャネルよりも信頼性の高い第２のチャネルにより通信接続される第１の通信装置と第２の通信装置とを備える量子鍵配送システムの、第１の通信装置が、送信対象のビット列を示す第１の乱数列と、送信対象のビット列の位相変調における基底を示す第２の乱数列とに基づいて、送信光における直行する２つの偏波成分のうち第１の偏波成分を位相変調し、もう一方の偏波成分である第２の偏波成分を、第２の乱数列を示す信号に変調する。

【0077】

光強度を減衰すること（ステップＳ６２２）では、第１の通信装置が、変調された第１の偏波成分の光強度を減衰させる。
偏波多重を行うこと（ステップＳ６２３）では、第１の通信装置が、変調された第１の偏波成分の光強度を減衰させる。

【0078】

偏波分離を行うこと（ステップＳ６３１）では、第２の通信装置が、送信された信号光を偏波分離することで、前記微弱光と直交した成分に符号された前記第２の乱数列の読み出しと前記微弱光受信のためのクロックタイミング抽出とを行う。
局所光を出力すること（ステップＳ６３２）では、第２の通信装置が、コヒーレント検波のための局所光を出力する。

【0079】

コヒーレント検波を行うこと（ステップＳ６３３）では、第２の通信装置が、偏波分離された成分のうち前記微弱光の成分と局所光と干渉させて直交位相成分を読み出す。
光を検出すること（ステップＳ６３４）では、第２の通信装置が、読み出された直交位相成分を電気信号に変換する。

【0080】

信号処理を行うこと（ステップＳ６３５）では、第２の通信装置が、抽出したクロックタイミングをもとに、前記電気信号から前記第１の乱数列を読み出し量子生鍵を生成する。
基底照合を行うこと（ステップＳ６３６）では、第２の通信装置が、生成された前記量子生鍵と前記第２の乱数列とをもとに、前記第１の通信装置と前記第２の通信装置との間における前記第２のチャネルでの通信を用いた基底照合の処理を行い選別鍵を生成する。

【0081】

誤り訂正を行うこと（ステップＳ６３７）では、第２の通信装置が、生成された前記選別鍵に対して、第１の通信装置と第２の通信装置の間における前記第２のチャネルでの通信を用いた誤り訂正を行う。
秘匿性増強を行うこと（ステップＳ６３８）では、第２の通信装置が、誤り訂正後の前記選別鍵に対し、第１の通信装置と第２の通信装置の間における前記第２のチャネルでの通信を用いた秘匿性増強を行うことで量子鍵を生成する。

【0082】

このように、第１の通信装置が、量子光に基底選択情報を偏波多重させ、第２の通信装置が、この基底選択情報をクロック抽出用信号として用いる。図６に示す量子鍵配送方法によれば、この点で、連続量量子鍵配送において、量子光の送信側と受信側とでクロックタイミングを同期させるためのクロック抽出用信号の通信を、比較的効率よく行うことができる。また、図６に示す量子鍵配送方法によれば、第２の通信装置が、量子光とは異なる強い強度のクロック抽出用信号を取得することができる点で、信号品質を向上させることができる。
また、図６に示す量子鍵配送方法では、量子光と、クロック抽出用信号として用いられる基底選択情報とを偏波多重させて同時に送信する点で、伝送経路上での波長分散の影響を軽減することができ、この点でも信号品質を向上させることができる。

【0083】

図７は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
図７に示す構成で、コンピュータ７００は、ＣＰＵ７１０と、主記憶装置７２０と、補助記憶装置７３０と、インタフェース７４０と、不揮発性記録媒体７５０とを備える。

【0084】

上記の送信機１０、受信機２０、第１の通信装置６２０、および、第２の通信装置６３０のうち何れか１つ以上またはその一部が、コンピュータ７００によって制御されていてもよい。その場合、これらの装置の動作は、プログラムの形式で補助記憶装置７３０に記憶されている。ＣＰＵ７１０は、プログラムを補助記憶装置７３０から読み出して主記憶装置７２０に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、ＣＰＵ７１０は、プログラムに従って、これらの装置が処理を行うための記憶領域を主記憶装置７２０に確保する。各装置と他の装置との通信は、インタフェース７４０が通信機能を有し、ＣＰＵ７１０の制御に従って通信を行うことで実行されてもよい。各装置とユーザとのインタラクションは、インタフェース７４０がディスプレイ、キーボードおよびマウス等の入出力デバイスを備え、ＣＰＵ７１０の制御に従って動作することで実行されてもよい。また、インタフェース７４０は、不揮発性記録媒体７５０用のポートを有し、不揮発性記録媒体７５０からの情報の読出、および、不揮発性記録媒体７５０への情報の書込を行う。

【0085】

上述したプログラムのうち何れか１つ以上が不揮発性記録媒体７５０に記録されていてもよい。この場合、インタフェース７４０が不揮発性記録媒体７５０からプログラムを読み出すようにしてもよい。そして、ＣＰＵ７１０が、インタフェース７４０が読み出したプログラムを直接実行するか、あるいは、主記憶装置７２０または補助記憶装置７３０に一旦保存して実行するようにしてもよい。

【0086】

なお、送信機１０、受信機２０、第１の通信装置６２０、および、第２の通信装置６３０に対する制御の全部または一部を実行するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳ（Operating System）や周辺機器等のハードウエアを含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。

【0087】

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

【符号の説明】

【0088】

１、６１０ 量子鍵配送システム
１０ 送信機
１０００ 乱数生成器
２０ 受信機
３０ 量子チャネル
４０ 古典チャネル
１００、２００ 量子ユニット
１０１ 光源
１０２ 光カプラ
１０３、１０３－ｘ、１０３－ｙ 位相変調器
１０４ 可変減衰器
１０５、２０６、６２３、６３１ 偏波ビームスプリッタ
１１０、２１０ 鍵生成制御部
１２０、２２０ メモリ
１３０、２３０、６３６ 基底照合部
１４０、２４０、６３７ 誤り訂正部
１５０、２５０、６３８ 秘匿性増強部
１６０ ディレイ
２０１、６３２ 局所光源
２０２、６３３ ９０°ハイブリッド
２０３、２０３－ｘ、２０３－ｙ、６３４ フォトディテクタ
２０４、２０４－ｘ、２０４－ｙ アナログ－デジタル変換器
２０５ デジタル信号処理回路
６２０ 第１の通信装置
６２１ ＤＰ－ＱＰＳＫ変調装置
６２２ 光強度減衰器
６３０ 第２の通信装置
６３５ 信号処理部
６４０ 第１のチャネル
６５０ 第２のチャネル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】