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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】P2024070229
(43)【公開日】2024-05-22
(54)【発明の名称】量子鍵配送方法及び量子鍵配送システム
(51)【国際特許分類】
H04B 10/70 20130101AFI20240515BHJP
H04B 10/291 20130101ALI20240515BHJP
H04L 9/12 20060101ALI20240515BHJP
【ＦＩ】
H04B10/70
H04B10/291
H04L9/12
【審査請求】有
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023179521
(22)【出願日】2023-10-18
(31)【優先権主張番号】22206735
(32)【優先日】2022-11-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(71)【出願人】
【識別番号】521124319
【氏名又は名称】テラ クアンタム アーゲー
【氏名又は名称原語表記】ＴＥＲＲＡ ＱＵＡＮＴＵＭ ＡＧ
(74)【代理人】
【識別番号】100109210
【弁理士】
【氏名又は名称】新居 広守
(72)【発明者】
【氏名】ヴャトキン・ミハイル
(72)【発明者】
【氏名】グトル・アレクサンダー
(72)【発明者】
【氏名】キルサーノフ・ニキータ
(72)【発明者】
【氏名】ズダーノヴァ・エカチェリーナ
(72)【発明者】
【氏名】ヤロヴィコフ・ミハイル
(72)【発明者】
【氏名】スミルノフ・アレクサンダー
(72)【発明者】
【氏名】ベズルチェンコ・アレクサンダー
(72)【発明者】
【氏名】レソヴィク・ゴルデイ
【テーマコード（参考）】
5K102
【Ｆターム（参考）】
5K102AB11
5K102PB11
5K102PH13
5K102PH48
5K102RD28
(57)【要約】 （修正有）
【課題】光信号を増幅する際の潜在的な盗聴に対する安全性を向上させる量子鍵配送方法を提供する。
【解決手段】方法は、第１データ処理装置１１と第２データ処理装置１２との間で光信号を伝送するための伝送路１０及び伝送路に配置された光増幅器１４を備え、光増幅器がアクティブファイバセクション１５とポンピングデバイス１６とを備える量子鍵配送システムであって、光増幅器の目標最大利得と目標動作利得との間の比を決定し、目標の最大信号パワーを有する光信号が最大でも目標最大利得で増幅されるようにアクティブファイバセクションの長さを決定し、目標最大利得と目標動作利得との比に従って光信号を目標動作利得で増幅するように最大ポンピングパワー未満のポンピングデバイスの動作ポンピングパワーを決定してポンピングデバイスを動作させ、光増幅器を介して光信号を増幅することを含む量子鍵配送によって、データ処理装置間の共有鍵を決定する。
【選択図】図１
【解決手段】方法は、第１データ処理装置１１と第２データ処理装置１２との間で光信号を伝送するための伝送路１０及び伝送路に配置された光増幅器１４を備え、光増幅器がアクティブファイバセクション１５とポンピングデバイス１６とを備える量子鍵配送システムであって、光増幅器の目標最大利得と目標動作利得との間の比を決定し、目標の最大信号パワーを有する光信号が最大でも目標最大利得で増幅されるようにアクティブファイバセクションの長さを決定し、目標最大利得と目標動作利得との比に従って光信号を目標動作利得で増幅するように最大ポンピングパワー未満のポンピングデバイスの動作ポンピングパワーを決定してポンピングデバイスを動作させ、光増幅器を介して光信号を増幅することを含む量子鍵配送によって、データ処理装置間の共有鍵を決定する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
量子鍵配送方法であって、前記方法は次の構成を備えるシステムによって実現可能であって、
第１データ処理装置（１１）と第２データ処理装置（１２）との間で光信号を伝送する伝送路（１０）と、
前記伝送路（１０）上に設置された光増幅器（１４）と、前記光増幅器（１４）はアクティブファイバセクション（１５）とポンピングデバイス（１６）とを備え、
前記方法は、
前記光増幅器（１４）の目標最大利得と目標動作利得との間の比を決定することと、
目標最大信号パワーを有する前記光信号が前記目標最大利得で増幅されるように、アクティブファイバセクション長を決定することと、
前記目標最大利得と前記目標動作利得との間で決定された前記比にしたがって前記光信号が目標動作利得で増幅されるように、最大ポンピングパワー未満の前記ポンピングデバイス（１６）の動作ポンピングパワーを決定することと、
前記ポンピングデバイス（１６）を前記動作ポンピングパワーで動作させることにより、前記光増幅器（１４）を介して前記光信号を増幅することを含む量子鍵配送によって、前記第１データ処理装置（１１）と前記第２データ処理装置（１２）との間の共有鍵を決定することとを含む、
量子鍵配送方法。
第１データ処理装置（１１）と第２データ処理装置（１２）との間で光信号を伝送する伝送路（１０）と、
前記伝送路（１０）上に設置された光増幅器（１４）と、前記光増幅器（１４）はアクティブファイバセクション（１５）とポンピングデバイス（１６）とを備え、
前記方法は、
前記光増幅器（１４）の目標最大利得と目標動作利得との間の比を決定することと、
目標最大信号パワーを有する前記光信号が前記目標最大利得で増幅されるように、アクティブファイバセクション長を決定することと、
前記目標最大利得と前記目標動作利得との間で決定された前記比にしたがって前記光信号が目標動作利得で増幅されるように、最大ポンピングパワー未満の前記ポンピングデバイス（１６）の動作ポンピングパワーを決定することと、
前記ポンピングデバイス（１６）を前記動作ポンピングパワーで動作させることにより、前記光増幅器（１４）を介して前記光信号を増幅することを含む量子鍵配送によって、前記第１データ処理装置（１１）と前記第２データ処理装置（１２）との間の共有鍵を決定することとを含む、
量子鍵配送方法。
【請求項2】
前記目標最大利得と前記目標動作利得との間の前記比は、前記伝送路（１０）に関連する光信号漏洩から、好ましくは検出可能な最小光信号漏洩から決定される、
請求項１に記載の量子鍵配送方法。
請求項１に記載の量子鍵配送方法。
【請求項3】
前記目標最大利得と前記目標動作利得との間の前記比は、１＋１０－７と１＋１０－１との間である、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
【請求項4】
前記目標最大利得は、前記アクティブファイバセクション（１５）における総反転分布に対応する達成可能な最大利得である、及び／又は前記目標最大利得は、前記最大ポンピングパワーでの利得である、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
【請求項5】
さらに、前記伝送路（１０）に沿った光信号損失、好ましくは前記伝送路（１０）に沿った位置に応じた光信号損失を決定することを含む、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
【請求項6】
さらに、前記光信号の最大信号強度、前記光信号の最大光子数、前記光信号のパルス幅及び前記光信号の信号周波数のうちの少なくとも１つから前記目標最大信号パワーを決定することを含む、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
【請求項7】
前記アクティブファイバセクション長を決定することが、
前記アクティブファイバセクション（１５）に初期長を与えることと、
前記ポンピングデバイス（１６）を最大ポンピングパワーで動作させることと、
利得値を繰り返し決定し、前記利得値が前記目標最大利得に等しくなるまで前記アクティブファイバセクション（１５）長を調整することと、
前記利得値が前記目標最大利得に等しい前記アクティブファイバセクション（１５）長として前記アクティブファイバセクション長を決定することとを含む、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
前記アクティブファイバセクション（１５）に初期長を与えることと、
前記ポンピングデバイス（１６）を最大ポンピングパワーで動作させることと、
利得値を繰り返し決定し、前記利得値が前記目標最大利得に等しくなるまで前記アクティブファイバセクション（１５）長を調整することと、
前記利得値が前記目標最大利得に等しい前記アクティブファイバセクション（１５）長として前記アクティブファイバセクション長を決定することとを含む、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
【請求項8】
前記アクティブファイバセクション長を決定することが、前記目標最大利得、前記最大ポンピングパワー及び最大信号パワーに応じた関数を介して前記アクティブファイバセクション長を決定することを含み、好ましくは、Ｇｍａｘを前記目標最大利得、Ｐｐ，ｍａｘを前記最大ポンピングパワー、Ｐs，ｍａｘを前記最大信号パワー、ｄをＰｐ，ｍａｘ及びＰs，ｍａｘに依存する関数として、前記アクティブファイバセクション長をｌ＝ｌｎＧｍａｘ／ｄ（Ｐｐ，ｍａｘ, Ｐs，ｍａｘ）として決定することを含む、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
【請求項9】
前記共有鍵を決定するための前記光信号は、前記目標最大信号パワー以下の信号パワーを含む、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
【請求項10】
さらに、前記アクティブファイバセクション（１５）に、エルビウム‐ドープファイバセクション、ツリウム‐ドープファイバセクション、ネオジム‐ドープファイバセクション、及びイッテルビウム‐ドープファイバセクションのうちの少なくとも１つを設けることを含む、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
【請求項11】
さらに、光アイソレータ及びタップカプラを備えない前記伝送路（１０）を設けることを含む、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
【請求項12】
さらに、双方向光増幅器として前記光増幅器（１４）を提供することを含む、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
【請求項13】
前記光信号は、前記光増幅器（１４）のスペクトル利得偏差が１０％以下、好ましくは１％以下となるような信号波長範囲内で放射される、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
【請求項14】
さらに、複数の光増幅器（１４）、各光増幅器はさらなるポンピングデバイス（１６）と前記アクティブファイバセクション長を有するさらなるアクティブファイバセクション（１５）とを備える、を前記伝送路（１２）に配置することを含み、
前記共有鍵を決定することが、前記動作ポンピングパワーでさらなる前記ポンピングデバイス（１６）を動作させることによって、前記複数の光増幅器（１４）を介して前記光信号を増幅することを含む、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
前記共有鍵を決定することが、前記動作ポンピングパワーでさらなる前記ポンピングデバイス（１６）を動作させることによって、前記複数の光増幅器（１４）を介して前記光信号を増幅することを含む、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法。
【請求項15】
さらに、前記複数の光増幅器（１４）を、２つの隣接する光増幅器（１４）の間の距離が３０ｋｍと２００ｋｍとの間、好ましくは３０ｋｍと６０ｋｍとの間になるように配置する、ことを含む
請求項１４に記載の量子鍵配送方法。
請求項１４に記載の量子鍵配送方法。
【請求項16】
第１データ処理装置（１１）と第２データ処理装置（１２）との間で光信号を伝送するための伝送路（１０）を備える量子鍵配送のためのシステムであって、
前記システムは、さらに、アクティブファイバセクション（１５）及びポンピングデバイス（１６）を備え、前記伝送路（１０）に配置された光増幅器（１４）を備え、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法を実行するように構成されたシステム。
前記システムは、さらに、アクティブファイバセクション（１５）及びポンピングデバイス（１６）を備え、前記伝送路（１０）に配置された光増幅器（１４）を備え、
請求項１又は２に記載の量子鍵配送方法を実行するように構成されたシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、量子鍵配送方法及び量子鍵配送システムに関する。
【背景技術】
【0002】
量子鍵配送（ＱＫＢ）は、通信及び認証中のセキュリティを強化することで、２者間で対称鍵を秘密裏に共有する方法を提供する。しかしながら、既存のＱＫＢプロトコルは、多くの場合、数キロメートル以内の通信に制限されている。特に、量子信号を運ぶ情報は一般に長距離にわたって減衰するため、信号を増幅するための量子チャネルに沿った中継器が必要である。
【0003】
例えば、米国特許第１１１６５５７０Ｂ２号には、増幅された光セクションを備えたＱＫＢ用通信ネットワークノードを動作させる方法が記載されている。実際のＱＫＢの実現は通常、中間の信頼できるノードに依存するため、セキュリティが大幅に侵害される可能性がありうる。
【0004】
米国特許第２００３／００３５２０４Ａ１号には、ポンピング源として増幅自然放出を使用し、それによって２段Ｌバンドエルビウム‐ドープファイバ増幅器の増幅能力を高めることが記載されている。エルビウム‐ドープファイバの長さに対する利得を表すグラフが示されている。米国特許第１１２７１３５８Ｂ２号は、活性ドープ光ファイバにおける加熱の制御に関する。
【発明の概要】
【0005】
本開示の目的は、特に光信号を増幅する際の潜在的な盗聴に対する安全性の向上に関して、量子鍵配送のための改良された技術を提供することである。
【0006】
この問題を解決するために、独立請求項に従って、量子鍵配送のための方法及びシステムが提供される。さらなる実施形態は、従属請求項に開示されている。
【0007】
一態様によれば、量子鍵配送のための（光信号を増幅するための）方法が提供され、この方法は、第１データ処理装置と第２データ処理装置との間で光信号を伝送するための伝送路を備えるシステムにおいて実現可能である。光増幅器は、アクティブファイバセクションとポンピングデバイスを備える。この方法は、目標最大利欲と目標動作利得との間の比を決定することと、目標の最大信号パワーを有する光信号が最大でも目標の最大利得で増幅されるように、アクティブファイバセクションの長さを決定することと、目標最大利得と目標動作利得との間で決定された比にしたがって光信号が目標動作利得で増幅されるように、最大ポンピングパワー未満のポンピングデバイスの動作ポンピングパワーを決定することと、動作ポンピングパワーでポンピングデバイスを動作させ、光増幅器を介して光信号を増幅する量子鍵配送により、第１データ処理装置と第２データ処理装置との間の共有鍵を決定することを含む。
【0008】
別の態様によれば、量子鍵配送のための（光信号を増幅するための）システムが提供され、このシステムは、第１データ処理装置と第２データ処理装置との間で光信号を伝送するための伝送路を備え、このシステムはさらに、アクティブファイバセクションとポンピングデバイスを備える伝送路に配置された光増幅器を備え、このシステムは、先行する請求項の少なくとも１つに記載の方法を実行するように構成されている。
【0009】
その結果、ポンピングデバイスにアクセスする可能性のある盗聴者が光信号の一部を転用させるためにポンピングパワーを効果的に操作することを防止することにより、量子鍵配送を安全に実行することができる。同時に、不必要に高いレベルのエネルギー消費を回避することができる。
【0010】
目標最大利得Ｇｍａｘと目標動作利得Ｇｏｐとの間の比Ｇｍａｘ／Ｇｏｐは、伝送路に関連する光信号漏洩から、好ましくは検出可能な最小光信号漏洩ｒＥ
ｍｉｎから決定できる。目標最大利得Ｇｍａｘと目標動作利得Ｇｏｐとの間の比Ｇｍａｘ／Ｇｏｐは、１＋１０－７から１＋１０－１の間、好ましくは１＋１０－６から１＋１０－２の間、より好ましくは１＋１０－５から１＋１０－３の間でありうる。
【0011】
目標最大利得Ｇｍａｘと目標動作利得Ｇｏｐとの間の差は、検出可能な最小光信号漏洩ｒＥ
ｍｉｎ（目標動作利得Ｇｏｐの倍率）に等しくてもよい。検出可能な最小光信号漏洩ｒＥ
ｍｉｎは伝送路の長さに依存しうる。隣接する光増幅器間の距離（増幅器間）が５０ｋｍ、伝送路長が１０００ｋｍの場合、目標最大利得Ｇｍａｘと目標動作利得Ｇｏｐとの間の差は、１０－６に等しくてもよい。伝送路長が４０，０００ｋｍの場合、１０－５に等しくてもよい。したがって、ポンピングデバイスは、ポンピングデバイスが可能な最大利得に近い値で規則的に動作することができる。これにより、盗聴者がポンピングパワーを増加させて光信号を部分的に転用させる可能性を制限することができる。
【0012】
目標動作利得は、３から１００の間、好ましくは５から２０の間、より好ましくは９から１１の間でありうる。最大動作利得は、３＋１０－６から１００＋１０－３の間、好ましくは５＋１０－６から２０＋１０－３の間、より好ましくは９＋１０－６と１１＋１０－３の間でありうる。
【0013】
目標最大利得は、アクティブファイバセクションにおける総反転分布に対応する達成可能な最大利得であってもよい。目標最大利得は。最大ポンピングパワーでの利得であってもよい。
【0014】
目標最大利得Ｇｍａｘは、目標動作利得Ｇｏｐと、光信号変動又は光子変動（特に、光信号の生成及び／又は増幅中に生じる変動）から決定される検出可能な最小光信号漏洩ｒＥ
ｍｉｎの値とから決定できる。目標動作利得Ｇｏｐは、伝送路に沿った信号損失（特に、第１データ処理装置及び／又は第２データ処理装置から光増幅器への信号損失、又は、光増幅器から別の光増幅器への信号損失）を示す伝送係数から決定できる。
【0015】
検出可能な最小光信号漏洩ｒＥ
ｍｉｎは、伝送路に沿った自然損失により生じる最小漏洩でもよい。検出可能な最小光信号漏洩ｒＥ
ｍｉｎは、光信号変動の値と光信号のパルス当たりの光子数との比に等しくてもよい。検出可能な最小光信号漏洩ｒＥ
ｍｉｎは、伝送路における光増幅器の数、光信号／光パルス当たりの初期光子数ｎ、及び伝送確率Ｔのうちの少なくとも一つから決定されてもよい。たとえば、検出可能な最小光信号漏洩ｒＥ
ｍｉｎは、ｒＥ
ｍｉｎ＝√（ＭＧ／ｎ）（又は、その周囲の間隔内）として決定されてもよい。ここで、Ｍは伝送路の光増幅器の数、ｎは光信号／光パルス当たりの初期光子の数、Ｔは２つの隣接する光増幅器間の伝送路セクションの伝送確率である。検出可能な最小光信号漏洩ｒＥ
ｍｉｎは、１０－４から１０－８の間、好ましくは１０－５から１０－６の間でありうる。初期光子数ｎは、たとえば、１０１０から１０１６の間、好ましくは１０１３から１０１６の間でありうる。伝送確率は、距離ごとの光子数の減少の逆数でもよい。
【0016】
アクティブファイバセクションの長さは、ポンピングデバイスのポンピングパワー及び／又はポンピングデバイスの任意のポンピングパワーとは無関係に、目標最大信号パワーを有する光信号が最大でも目標最大利得で増幅されるように決定されると規定してもよい。ポンピングパワーは、ポンピングデバイスの達成可能な最大ポンピングパワー及び／又は光ファイバコンポーネントの損傷及び／又は光ファイバ内の非線形プロセスによって制限されうる。
【0017】
目標最大利得Ｇｍａｘは、δＧ＝Ｇｏｐ・ｒＥ
ｍｉｎとして、Ｇｍａｘ＝Ｇｏｐ＋δＧとして決定できる。したがって、目標最大利得Ｇｍａｘは、Ｇｍａｘ＝Ｇｏｐ＋Ｇｏｐ・ｒＥ
ｍｉｎとして決定できる。
【0018】
あるいは、目標最大利得Ｇｍａｘは、検出可能な最小光信号漏洩とは無関係に固定されてもよい。
【0019】
この方法はさらに、伝送路に沿った光信号損失、好ましくは伝送路に沿った位置に応じた光信号損失を決定する（及び／又は監視する）ことを含んでもよい。つまり、光信号損失は、伝送路に沿った位置の関数として決定されうる。特に、伝送路に沿った各位置について、対応する光信号損失を決定することができる。したがって、光信号損失は信号損失プロファイルに対応しうる。
【0020】
光信号損失は、光時間領域反射率測定法によって測定できる。光信号損失は、共有鍵の決定中、決定前、及び／又は決定後に決定されてよい。光信号損失は繰り返し測定することができる。たとえば、光信号損失は、１０ｎｓから５０ｓ、好ましくは１０ｎｓから１０ｓ、特に１００ｎｓから１００ｍｓ、５００ｎｓから５００ｍｓ、１００ｍｓから１０００ｍｓ、０．５ｍｓから５ｓ、５ｓから１０ｓのうちの一つの時間間隔内で繰り返し決定されうる。
【0021】
この方法は、光信号損失に基づいて侵入イベントを決定すること及び／又は光信号損失に基づいて共有鍵の決定を中止（終了）することを含んでもよい。この方法は、光信号損失に基づいて共有鍵を破棄することを含んでもよい。
【0022】
この方法は、さらに、光信号の最大信号強度、光信号の（パルス当たりの）最大光子数、光信号の（最小）パルス持続時間、光信号の（最大）信号周波数（又は（最小）信号波長）のうちの少なくても１つから目標最大信号パワーを決定することを含んでもよい。
【0023】
たとえば、目標最大信号パワーは、パルス当たりの（最大）光子数Ｎ、信号波長λｓ、信号周波数νｓ、信号パルス持続時間ｔｓとして、Ｐs，ｍａｘ＝Ｎｈνｓ／ｔｓもしくは、Ｐs，ｍａｘ＝Ｎｈｃ／（λｓｔｓ）で決定できる。信号パルス持続時間ｔｓは、たとえば、０．１ｎｓと１μｓとの間でありうる。信号波長λｓは、たとえば、３００ｎｍから２５００ｎｍの間であってもよい。
【0024】
最大信号強度及び／又はパルス当たりの最大光子数は、第１データ処理装置と第２データ処理装置との間の距離、隣接する光増幅器間の距離、及び検出可能な最小光信号漏洩によって決定できる。
【0025】
アクティブファイバセクションの長さを決定することには、アクティブファイバセクションに初期長さを与えること、最大ポンピングパワーでポンピングデバイスを動作させること、利得値を繰り返し決定し、利得値が目標最大利得に等しくなるまでアクティブファイバセクションの長さを調整すること、アクティブファイバセクションの長さを、利得値が目標最大利得に等しいアクティブファイバセクションの長さとして設定することのうち少なくとも一つが含まれる。結果として、アクティブファイバセクションの長さをより高い精度で決定することができる。
【0026】
初期長さは、アクティブファイバセクションの長さの初期推定値よりも、たとえば１％と２０％の間、好ましくは５％と１５％の間、より好ましくは９％と１１％の間の係数だけ長くてもよい。
【0027】
最大ポンピングパワーは、ポンピングデバイスによって達成可能な最大ポンピングパワーであってもよい。したがって、最大ポンピングパワーはポンピングデバイスに依存しうる。
【0028】
アクティブファイバセクションの長さの調整は、アクティブファイバセクションを短縮及び／又は延長すること、例えば、アクティブファイバセクションを連続的に切断することを含んでもよい。利得値は、たとえば、光増幅器への入力信号強度（及び／又はパルス当たりの光子数）及び光増幅器からの出力信号強度（及び／又はパルス当たりの光子数）から決定できる。
【0029】
ポンピングデバイスは、ダイオード及び／又はレーザであってもよい。ポンピングデバイスは、ポンピング波長を有する放射線を放射するように構成されうる。
【0030】
アクティブファイバセクション長を決定することは、目標最大利得、最大ポンピングパワー、及び最大信号パワーに応じた関数を介してアクティブファイバセクション長を決定することを含み、好ましくは、アクティブファイバセクション長をｌ＝ｌｎＧｍａｘ／ｄ（Ｐｐ，ｍａｘ, Ｐs，ｍａｘ）として決定する。ここで、Ｇｍａｘは目標最大利得、Ｐｐ，ｍａｘは最大ポンピングパワー、Ｐs，ｍａｘは最大信号パワー、ｄはＰｐ，ｍａｘとＰs，ｍａｘに依存する関数である。したがって、アクティブファイバセクション長を迅速かつ効率的に決定できる。
【0031】
関数ｄは、準安定状態集団ｎ２、吸収断面積σａ（νｓ）、ドーパント濃度ρ、最大信号パワーＰs，ｍａｘ、最大ポンピングパワーＰｐ，ｍａｘ、及び信号周波数νｓとして、ｄ（Ｐｐ，ｍａｘ，Ｐs，ｍａｘ）＝σａ（νｓ）ρ（（ηｓ＋１）ｎ２（Ｐｐ，ｍａｘ，Ｐs，ｍａｘ）－１）でありうる。特に、アクティブファイバセクション長ｌは、ｌ＝ｌｎＧｍａｘ／σａ（νｓ）ρ（（ηｓ＋１）ｎ２（Ｐｐ，ｍａｘ，Ｐs，ｍａｘ）－１）として決定できる。
【0032】
準安定状態の母集団は、ドーパント濃度ρ、ポンピング放射周波数νｐ、信号周波数νｓ、ηｓ＝σｅ（νｓ）／σａ（νｓ）、ηｐ＝σｅ（νｐ）／σａ（νｐ）、発光断面積σｅ（νｐ）、σｅ（νｓ）、吸収断面積σａ（νｐ）、σａ（νｓ）、最大信号パワーＰs，ｍａｘ、最大ポンピングパワーＰｐ，ｍａｘ及び飽和パワーＰｓａｔ、Ｐｓａｔとして、ｎ２（Ｐｐ，ｍａｘ，Ｐs，ｍａｘ）＝ρ（Ｐｐ，ｍａｘ／Ｐｓａｔ＋（１／１＋ηｓ）Ｐs，ｍａｘ／Ｐｓａｔ）／（１＋Ｐs，ｍａｘ／Ｐｓａｔ＋Ｐｐ，ｍａｘ／Ｐｓａｔ）でありうる。
【0033】
発光及び吸収断面積σｅ（νｐ）、σｅ（νｓ）、σａ（νｐ）、σａ（νｓ）は、発光スペクトル及び吸収スペクトル（例えば、スペクトル分析から）を介して、及び好ましくはその後のドーパント濃度ρによる除算によって決定できる。
【0034】
動作ポンピングパワーＰｐ，ｏｐを決定することは、ポンピングデバイスを動作ポンピングパワーで動作させるときに、光信号が目標動作利得で増幅されるまで、利得値を反復的に決定し、ポンピングデバイスを調整することを含んでもよい。さらに又は代わりに、動作ポンピングパワーは、信号最大パワー、目標動作利得、及びアクティブファイバセクション長に依存した式によって決定することができる。
【0035】
共有鍵を決定するための光信号は、目標信号パワー以下の信号パワーを含んでもよい。
【0036】
この方法は、エルビウム‐ドープファイバセクション、ツリウム‐ドープファイバセクション、ネオジム‐ドープファイバセクション、及びイッテルビウム‐ドープファイバセクションのうちの少なくとも１つをアクティブファイバセクションに提供することをさらに含んでもよい。
【0037】
この方法は、光アイソレータのない、及び／又はタップカプラのない伝送路を提供することをさらに含んでもよい。
【0038】
特に、第１データ処理装置と第２データ処理装置との間のすべての光ファイバセクションは、光アイソレータ及び／又はタップカプラなしで提供されてもよい。
【0039】
この方法は、光増幅器を双方向光増幅器として提供することをさらに含んでもよい。その結果、光信号は、同じ光ファイバを介して、第１データ処理装置から第２データ処理装置へ、及び第２データ処理装置から第１データ処理装置へ送信されうる。
【0040】
光信号は、光増幅器のスペクトル利得偏差が１０％以下、好ましくは１％以下となるような信号波長範囲内で放射される。これにより、光増幅器の利得の安定性を制御することができる。スペクトル利得偏差は、信号波長を変化させたときに起こりうる（相対的な）利得偏差を示しうる。
【0041】
光信号は、例えば、１２００ｎｍから１６００ｎｍまで、好ましくは、１５２６ｎｍから１５３４ｎｍまで、より好ましくは、１５２９ｎｍから１５３１ｎｍまでの信号波長範囲内で放射されうる。
【0042】
この方法は、伝送路に複数の光増幅器を配置することをさらに備えてもよく、各光増幅器は、（さらなる）ポンピングデバイスと、アクティブファイバセクション長を有する（さらなる）アクティブファイバセクションとを備える。好ましくは、共有鍵を決定することは、動作ポンピングパワーでさらなるポンピングデバイスのそれぞれを動作させることによって、複数の光増幅器を介して光信号を増幅することを含んでもよい。したがって、より長い伝送路に沿った効果的な信号伝送が提供されうる。
【0043】
この方法は、２つの隣接する光増幅器間の光増幅距離が３０ｋｍと２００ｋｍとの間、好ましくは３０ｋｍと６０ｋｍの間となるように複数の光増幅器を配置することをさらに含んでもよい。
【0044】
この方法は、伝送路（特に第１データ処理装置と第２データ処理装置との間で光信号を伝送するため）を設けること、光増幅器を設けること、光増幅器を伝送路に配置すること、光増幅器にアクティブファイバセクション及び／又はポンピングデバイスを提供することのうち少なくとも１つを含んでもよい。伝送路は、光ファイバ及び／又は複数の光ファイバセクションを備え、及び／又は提供してもよい。光ファイバ（セクション）はパッシブファイバ（セクション）を含んでもよい。光ファイバ（セクション）は、たとえば、ＳＭＦ‐２８ファイバ（セクション）を含んでもよい。
【0045】
アクティブファイバセクションは伝送路の一部であってもよい。アクティブファイバセクションは、例えば、スプライス接続を介して、伝送路の光ファイバ（セクション）に接続されてもよい。ポンピングデバイスは、供給（光）ファイバ及び／又は結合要素を介して、伝送路、特にアクティブファイバセクション、に結合されてもよい。特に、ポンピングデバイスから放出されるポンピング放射線は、供給ファイバを通過することができ、及び／又は（その後）結合要素を介して伝送路に供給されることができる。結合要素は、異なる波長を有する放射線、及び／又は異なる光ファイバからの放射線を単一の光ファイバに導くように構成されてもよい。結合要素は、例えば、波長分割多重（ＷＤＭ）システム／要素であってもよい。供給ファイバはパッシブファイバであってもよい。供給ファイバは、ポンピング波長における放射線の最大透過率を備えるように構成されてもよい。たとえば、供給ファイバはＨＩ１０６０ＦＬＥＸファイバであってもよい。
【0046】
ポンピングデバイスは、ダイオード及び／又はレーザを含む。ポンピングデバイスは、アクティブファイバセクションのポンピング波長で放射線を放出するように構成されてもよい。
【0047】
伝送路は、カプセル化化合物で（少なくとも部分的に又は完全に）封止されてもよい。特に、伝送路及び／又は光増幅器及び／又はポンピングデバイス及び／又は供給ファイバの光ファイバ（セクション）は、カプセル化化合物で（少なくとも部分的に又は完全に）封止されてもよい。カプセル化化合物はシリコンベースであってもよい。カプセル化化合物はさらに、金属粒子、たとえば、アルミニウム粒子を含んでもよい。伝送路の長さは６０ｋｍから４０，０００ｋｍでありうる。
【0048】
システムは、第１及び第２データ処理装置及び／又はさらなるデータ処理装置を備えてもよいし、備えなくてもよい。この方法は、データ処理装置、例えば第１、第２、及び／又はさらなるデータ処理装置において実行されうる。アクティブファイバセクション長の決定及び／又は動作ポンピングパワーの決定は、第１、第２、及び／又はさらなるデータ処理装置などのデータ処理装置で実行されてもよいし、実行されなくてもよい。第１、第２、及び／又はさらなるデータ処理装置は、光増幅器、特にポンピングデバイスに接続されうる。
【0049】
光信号は、第１及び／又は第２データ処理装置から発せられうる。
【0050】
共有鍵を決定することは、乱数発生器を使用して第１データ処理装置内のビットシーケンスを決定すること、ビットシーケンスを光信号にエンコードすること、伝送路を介して光信号を第２データ処理装置に送信すること、動作ポンピングパワーとアクティブファイバセクション長を備える光増幅器によって光信号を増幅すること、第２データ処理装置によって光信号を受信及び測定すること、第１及び／又は第２データ処理装置における（受信された）ビットシーケンスから決定的ではない信号ビットを破棄すること、第１及び／又は第２データ処理装置により、ビットシーケンス及び／又は受信ビットシーケンスの一部を古典チャネルを介して開示して、ビットシーケンス及び受信ビットシーケンスに対してエラー訂正を実行すること、プライバシー増幅を使用して、エラー訂正されたビットシーケンスから共有鍵に対応する増幅されたキーシーケンスを決定することのうちの少なくとも一つを含んでもよい。
【0051】
量子鍵配送方法に関する前述の実施形態は、量子鍵配送システムにも対応して提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0052】
以下では、一例として、図面を参照して実施形態を説明する。
【図1】量子鍵配送システムと盗聴装置の配置を示す図
【図2】エルビウム‐ドープアクティブファイバセクションにおける光の増幅を示すエネルギー図
【図3】信号波長の関数としての利得係数のプロットを示す図
【図4】量子鍵配送方法のグラフ表示を示す図
【図5】異なる信号パワーに対するポンピングパワーの関数としての光増幅器の利得のプロットを示す図
【図6】量子鍵配送によって共有鍵を決定するための方法のステップを示す図
【図7】光学的時間領域反射率測定から得られたリフレクトグラムを示す図
【発明を実施するための形態】
【0053】
図１には、量子鍵配送のためのシステム及び盗聴装置１３（「イブ」）を含む構成の図が示されている。このシステムは、第１データ処理装置１１（「アリス」）と、第２データ処理装置１２（「ボブ」）との間で光信号、特に古典信号及び／又は量子信号を伝送するための光ファイバを備えた伝送路１０を備える。光ファイバは、例えば、ＳＭＦ‐２８ファイバを含んでもよい。
【0054】
アクティブファイバセクション１５及びポンピングデバイス１６を備えた少なくとも一つの光増幅器１４が、伝送路１０に提供／配置／設置されてもよい。特に、複数の光増幅器１４が伝送路１０に提供されてもよい。光増幅器１４は、例えば、３０ｋｍと２００ｋｍとの間、好ましくは３０ｋｍと１００ｋｍとの間、より好ましくは３０ｋｍと６０ｋｍとの間の増幅器間隔で、伝送路１０に沿って等距離に配意することができる。増幅器間隔を広げることによって、個々の光増幅器１４間のクロストークを軽減又は防止できる。光増幅器１４のいずれかと、第１及び第２データ処理装置１１、１２のいずれかとの間の距離は少なくとも３０ｋｍであってもよい。
【0055】
第１データ処理装置１１は、第１プロセッサ１１ａと第１メモリ１１ｂとを備えてもよく、第２データ処理装置１２は、第２プロセッサ１２ａと第２メモリ１２ｂとを備えてもよい。第１及び第２データ処理装置１１、１２は、システムの一部であってもよいし一部でなくてもよい。第１データ処理装置１１及び第２データ処理装置１２は、伝送路１０に接続される。伝送路１０は、量子信号を伝送するように構成された量子チャネルを備えてもよい。さらに、古典信号を伝達するように構成された古典チャネルが提供されてもよい。古典チャネルは、伝送路１０内に設けられても、別個に設けられてもよい。
【0056】
このシステムは、複数のさらなるデータ処理装置、特に、第３プロセッサ及び第３メモリ（図示せず）を備えた第３データ処理装置を備えてもよい。第３データ処理装置は、伝送路１０に接続されてもよい。さらに又は代わりに、第３データ処理装置は、さらなる通信チャネルを介して、古典信号及び／又は量子信号を第１データ処理装置１１及び／又は第２データ処理装置１２と交換することができる。システムがステップを実行するように構成される場合、そのようなステップは、例えば、第１データ処理装置１１、第２データ処理装置１２及び第３データ処理装置のうちの少なくとも１つで実行されうる。
【0057】
盗聴プロセッサ１３ａ及び盗聴メモリ１３ｂを備えた盗聴装置１３は、伝送路１０、特にポンピングデバイス１６にアクセスする可能性のあるシステム外部の装置を表す。盗聴装置１３は、伝送路１０を介して送信される光信号が盗聴装置１３によって少なくとも部分的に受信及び／又は再送信されるように、伝送路１０に配置されてもよい。また、盗聴装置１３はさらなる通信チャネルにアクセスしてもよい。
【0058】
第１メモリ１１ｂ、第２メモリ１２ｂ、第３メモリ及び盗聴メモリ１３ｂはそれぞれ、量子信号を記憶する量子メモリと古典信号を記憶する古典メモリとを含んでもよい。量子メモリは、オプティカル・ディレイ・ライン、コントロールド・リバーシブル・インホモジーニアス・ブローデニング（ＣＲＩＢ）、デュアン‐ルーキン‐シラック‐ゾラー（ＤＬＣＺ）スキーム、リヴァイバル・オブ・サイレンスド・エコー（ＲＯＳＥ）、及び／又はハイブリッド・フォトン・エコー・リフェーズ（ＨＹＰＥＲ）を使用して提供されうる。
【0059】
第１データ処理装置１１、第２データ処理装置１２、第３データ処理装置、及び盗聴処理装置１３は、それぞれ、光信号を介して量子状態を送信及び／又は受信する手段を備えてもよい。
【0060】
（ａ）光増幅
光信号は、誘導放出による光増幅により増幅／反復される。光増幅は、光増幅器１４のアクティブファイバ（セクション）１５で行われる。アクティブファイバセクション１５は、例えば、ポンピングデバイス１６を介して９８０ｎｍのポンピング波長でポンピングされ、約１５３０ｎｍの増幅信号波長を含むＥｒ３＋ドープファイバでもよい。さらに又は代わりに、ツリウム‐ドープファイバ（１４５０ｎｍから１４９０ｎｍでポンピングされる）、ネオジム‐ドープファイバ（１３００ｎｍでポンピングされる）、又はイッテルビウム‐ドープファイバ（１０００ｎｍでポンピングされる）を使用してもよい。エルビウム‐ドープファイバの採用は、増幅された信号波長が標準的なシリカファイバの伝送窓によく適合するという点で有利である。
光信号は、誘導放出による光増幅により増幅／反復される。光増幅は、光増幅器１４のアクティブファイバ（セクション）１５で行われる。アクティブファイバセクション１５は、例えば、ポンピングデバイス１６を介して９８０ｎｍのポンピング波長でポンピングされ、約１５３０ｎｍの増幅信号波長を含むＥｒ３＋ドープファイバでもよい。さらに又は代わりに、ツリウム‐ドープファイバ（１４５０ｎｍから１４９０ｎｍでポンピングされる）、ネオジム‐ドープファイバ（１３００ｎｍでポンピングされる）、又はイッテルビウム‐ドープファイバ（１０００ｎｍでポンピングされる）を使用してもよい。エルビウム‐ドープファイバの採用は、増幅された信号波長が標準的なシリカファイバの伝送窓によく適合するという点で有利である。
【0061】
図２には、エルビウム‐ドープファイバセクションであるアクティブファイバセクション１４における光の増幅を示すエネルギー図が示されている。ポンピングデバイス１６から放出される９８０ｎｍのポンピング波長を有するポンピング放射線２０は、エルビウム‐ドープファイバセクションで吸収され、その結果、エルビウムイオンは基底状態２１（４Ｉ１５／２）から緩和時間τ３２≒２０μｓで短寿命状態２３（４Ｉ１１／２）に遷移する。エルビウムイオンは、短寿命状態２３から、より長い緩和時間τ２１≒１０ｍｓで準安定状態２２（４Ｉ１３／２）まで非放射的に緩和する。
【0062】
エルビウム‐ドープファイバセクションを通過する光信号／光パルスは、光信号の一部として追加された光子２４の一貫して同期した放出とともに、準安定状態２２から基底状態２１への刺激された遷移を引き起こす。結果として生じる信号増幅の大きさは、エルビウムイオンの濃度、アクティブファイバセクション１４の長さ、及びポンピング放射線の強さに依存する。
【0063】
利得（増幅率）は特に入力信号の波長に依存する。図３は、信号波長（ｎｍ）の関数として、（ファイバ長に依存する）利得係数をｍ－１単位でプロットしたものである。信号波長の動作範囲は、利得係数の比較的平坦なピーク領域を構成する１５３０ｎｍ付近の領域に制限されうる。特に、１５２９ｎｍから１５３１ｎｍまでの信号波長範囲３０の利得係数は、１％のスペクトル利得偏差３１をもたらし、１５２６ｎｍから１５３４ｎｍまでの信号波長範囲３０は、１０％のスペクトル利得偏差３１をもたらす。
【0064】
図１に戻って参照すると、ポンピングデバイス１６からのポンピング放射線２０は、供給ファイバ１７及び波長分割多重（ＷＤＭ）素子などの結合素子１８を介して、伝送路１０、特にアクティブファイバセクション１５に供給される。したがって、光増幅が行われるアクティブファイバセクション１５には、ドーパント原子を励起するために必要なポンピング放射線２０が供給される。ＷＤＭ素子は、異なる波長の放射を単一の光ファイバに導くためのビームスプリッタ状の装置であり、アクティブファイバセクション１５及びポンピングデバイス１６に接続される。ポンピングデバイス１６は、例えば、ダイオード又はレーザであってもよく、特にポンピング波長の放射線を放射するように構成されている。
【0065】
エルビウム‐ドープアクティブファイバセクション１４の場合、ポンピングデバイス１６は９８０ｎｍの波長で動作し、この波長に対して最適化されたパッシブＨＩ１０６０ＦＬＥＸファイバを介してＷＤＭに接続できる。増幅は、１５３０ｎｍ付近の波長の光信号に対して行われる。不要な局所損失を約０．１％に抑えるために、すべてのファイバ接続（たとえば、伝送路のアクティブファイバセクションとパッシブファイバセクションとの間）が接続されうる。
【0066】
伝送路１０は、金属粉末（たとえば、アルミニウム）を混同した（たとえば、シリコンベースの）封止化合物で封止することができる。カプセル化化合物は、（過熱を防ぐために）高い熱伝導率を有していてもよい。カプセル化化合物により、外部からの機械的侵入を実質的に複雑にし（特に、検出されずに）、環境への放射線の漏洩を抑制することができる。金属粉末により、ファイバの外に漏れる光信号が熱として拡散される。その結果、光信号が漏洩しても解読できなくなる。
【0067】
標準的な光増幅器の設定とは異なり、このシステムには光アイソレータやタップカプラが含まれていない。アイソレータは、光を一方向にのみ通過させるように構成され、通常、光増幅器１４が実質的にレーザになる可能性があるアクティブファイバセクション１５内での多重反射のリスクを最小限に抑えるために使用される。
【0068】
タップカプラは、通常、光増幅器１４（特に、入力及び出力パワー、動作モード及び利得係数）を監視するために、光パルスの約１％を光検出器に向ける。この部分は盗聴者によって盗まれる可能性がありうる。
【0069】
この方法は、アイソレータやタップカプラを使用しないため、後方反射を軽減し、アクティブファイバセクション１５での任意のレーザ発振モードを回避することを、接続のみに依存しうる。
【0070】
（ｂ）量子鍵配送用光増幅器の動作
図４には、量子鍵配送方法のグラフ表示が示されている。
図４には、量子鍵配送方法のグラフ表示が示されている。
【0071】
最初に（ステップ４０）、第１データ処理装置１１と第２データ処理装置１２との間で光信号を伝送するための伝送路１０が設けられ、アクティブファイバセクション１５及びポンピングデバイス１６を備えた光増幅器１４は、伝送路１０上に配置される。
【0072】
光増幅器１４の利得／増幅率Ｇは、ポンピング放射線の力（ポンピングパワー）Ｐｐ、アクティブファイバ（セクション）の長さｌ、及びアクティブファイバセクション１５内のドーパント原子の濃度にも依存する。光増幅器１４に対する盗聴者による攻撃の可能性としては、ポンピングパワーＰｐを増加させ、その結果得られる増幅された光信号の剰余分を転用させることが考えられる。言い換えると、盗聴装置１３は、光増幅器１４にアクセスし、その増幅能力を“オーバークロック”することによって、光信号のコピーを提供しうる。
【0073】
この種の攻撃は次のように防ぐことができる。
【0074】
光増幅器１４の目標最大利得Ｇｍａｘと目標動作利得Ｇｏｐとの間の比Ｇｍａｘ／Ｇｏｐは、検出可能な最小光信号漏洩ｒＥ
ｍｉｎ及び／又は光信号を測定する分解能から決定される。検出可能な最小光信号漏洩ｒＥ
ｍｉｎは、光信号変動の値とパルス当たりの光子数との比から決定できる。さらに、アクティブファイバセクション長ｌは、第１又は第２データ処理装置１１、１２から目標最大信号パワーＰｓ，ｍａｘで放射される光信号が、任意のポンピングパワーに対して最大でも目標最大利得Ｇｍａｘで増幅されるように決定される（ステップ４１）。
【0075】
次のステップ４２では、ポンピングデバイス１６の動作ポンピングパワーＰｐ，ｏｐが、目標最大利得Ｇｍａｘと目標動作利得Ｇｏｐとの間で決定された比Ｇｍａｘ／Ｇｏｐにしたがって、目標最大利得Ｇｍａｘより小さい目標動作利得Ｇｏｐで光信号が増幅されるように決定される。
【0076】
上述のようにアクティブファイバセクション長ｌ（ステップ４１）及び動作ポンピングパワーＰｐ，ｏｐ（ステップ４２）を決定した後、第１データ処理装置１１と第２データ処理装置１２との間の共有鍵は、動作ポンピングパワーでポンピングデバイス１６を動作させることによって、光増幅器１４を介して、光信号（第１又は第２データ処理装置１１、１２から発せられる）を増幅することを含む量子鍵配送によって決定される（ステップ４３）。
【0077】
アクティブファイバセクション１５は、目標最大利得Ｇｍａｘで光信号を増幅するために必要な最小（最適）数のドーパントイオンを正確に含む。光増幅器１４が十分に大きなポンピングパワーで動作すると仮定すると、ほぼすべてのドーパント原子が逆に配置されており、ポンピングパワーをさらに増加しても、利得の増加は無視できる。したがって、上記の攻撃は無効になる。
【0078】
アクティブファイバセクション１５内のドーパント原子の最適な数は、以下に説明するように、アクティブファイバセクション長ｌを調整することによって決定できる。アクティブファイバセクション１５の位置ｚにおける第２エネルギー準位、準安定状態２２、の個数は次の式で得られる。
【0079】
【数1】
【0080】
ここで、ドーパント濃度をρ、ポンピング放射周波数をνｐ、信号周波数をνｓ、比をηｓ＝σｅ（νｓ）／σａ（νｓ）、ηｐ＝σｅ（νｐ）／σａ（νｐ）、放出断面積をσｅ（νｐ）、σｅ（νｓ）、吸収断面積σａ（νｐ）、σａ（νｓ）、（局所的な）ポンピングパワーをＰｐ（ｚ）、（局所的な）信号パワーをＰｓ（ｚ）、及び飽和パワーをＰｓａｔ（νｐ）、Ｐｓａｔ（νｓ）とする。
【0081】
放出断面積σｅ（νｐ）、σｅ（νｓ）及び吸収断面積σａ（νｐ）、σａ（νｓ）は、ドーパントイオンが周波数νｐ又はνｓの光子をそれぞれ放出又は吸収する確率に相当する。σｅ（νｐ）、σｅ（νｓ）、σａ（νｐ）及びσａ（νｓ）の値は、発光と吸収スペクトル（たとえば、スペクトル分析から）及びその後のドーパント濃度ρによる除算を介して決定できる。発光スペクトルは、入力光信号がないがポンピングされているアクティブファイバセクション１５の出力スペクトルである（特に、Ｇ≒１０の場合、約５００ｍＷの大きなポンピングパワーが使用されうる）。吸収スペクトルは、ポンピングを行わない場合のアクティブファイバセクション１５の入力スペクトルと出力スペクトルとの差に相当する。
【0082】
信号の飽和パワーＰｓａｔ（νｓ）とポンプの飽和パワーＰｓａｔ（νｐ）は、次のように決定できる。
【0083】
【数2】
【0084】
ここで、ωｓはモードパワー半径（つまり、ファイバコア半径、ファイバコアとクラッドの屈折率、及び信号波長に依存する光ファイバ内の信号パワー分布の半径）、τは準安定状態２２から基底状態２１までの緩和時間（通常、シリカ中のエルビウムの場合は１０ｍｓ）である。ｎ２がアクティブファイバに沿って一定値に近い場合、増幅率／利得Ｇは、次のように決定できる。
【0085】
【数3】
【0086】
ｎ２が一定値に近い場合の条件は、Ｐｐ＞＞Ｐｓａｔ（νｐ）のときに成立する。
【0087】
アクティブファイバセクション長ｌは、次のように決定できる。
【0088】
【数4】
【0089】
分母σａ（νｓ）ρ・（（ηｓ＋１）ｎ２－１）は、特定のアクティブファイバセクション長ｌに対して、出力光信号光子数と入力信号光子数の比として利得Ｇを決定し、式（４）を使用することによって決定できる。本質的に完全な反転分布を提供するために、ポンピングパワーは特に大きくてもよく、例えばＧ≒１０の場合、ポンピングパワーは５００ｍＷ以上であってもよい。
【0090】
利得Ｇは信号パワーＰｓに依存し、信号パワーＰｓの値が大きいほど小さくなるため、目標最大利得Ｇｍａｘ及び目標動作利得Ｇｏｐは、意図された（目標）最大信号パワーＰｓ，ｍａｘに対して決定できる。量子相対エントロピーの単調性により、信号パワーＰｓが小さい光信号がより多く増幅されるという事実は、それらをより区別しやすくするものではない。したがって、盗聴者は増幅された光信号から許容される以上の情報を抽出することはできない。特に、信号強度は、光信号の一部が転用／窃盗されたものとして検出された場合に、０ビットの光信号と１ビットの光信号との区別がつきにくくなるように、第１データ処理装置１１及び／又は第２データ処理装置１２によって低減できる。
【0091】
最大ポンピングパワーＰｐ，ｍａｘは、典型的には、ポンピングデバイス１６の物理的容量及び／又は電子的に設定された制限によって制限される。盗聴者は別のポンピングデバイスをアクティブファイバセクション１５に接続しようとするかもしれないが、これは物理的な回線制御によって検出されうる。さらに、封止材を貫通する必要がありえ、これにより機器が損傷しうる。したがって、盗聴者は、光増幅器１４のポンピングデバイス１６のポンピングパワーを最大でも物理的限界まで増加させることによってのみ、利得Ｇを操作するように制限されうる。
【0092】
伝送路長が１０００ｋｍの例示的な伝送路１０では、パルス当たりの光子数Ｎは約１０２光子から１０５光子までの範囲でありえ、信号パルス時間はｔｓ＝０．８ｎｓでありえ、これはＰｓ＝Ｎｈνｓ／ｔｓの信号パワーＰｓに相当する。信号波長λｓ＝ｃ／νｓ＝１５３０ｎｍの場合、信号パワーＰｓは最大１０．８１μＷとなりうる。増幅器間隔が５０ｋｍである、すなわち５０ｋｍごとに光増幅器１４を配置すると、光子数は、２つの光増幅器１４の間で１０分の１に減少する（伝送係数Ｔ＝０．１）。これに応じて、単一の光増幅器１４の目標動作利得Ｇｏｐは、光信号の減衰を補填するため、Ｇｏｐ＝１０でなければならない。
【0093】
最初にｎ＝１０１４光子を持つ光パルスの場合、光子数は５０ｋｍ後にＴｎ＝１０１３に減少する。光増幅器１４は光子数をＧＴｎ＝１０１４に戻すが、ノイズも付加する。光子はポアソン統計に従うため、増幅器付近の光信号の変動は、δｎ＝√（Ｔ・ｎ）≒３×１０６である。これらの変動は、光増幅器１４によって係数Ｇで増幅され、その結果、δｎＧ≒Ｇ・√（Ｔ・ｎ）≒３×１０７となる。
【0094】
それぞれが独立して変動に寄与する複数のＭ個の光増幅器１４を通過すると、合計の変動は√（Ｍ）倍に増加する。例えば、長さ２００００ｋｍの伝送路１０上の４００個の光増幅器１４の場合、変動は２０倍に増加する。
【0095】
したがって、第２データ処理装置１２における変動はδｎＢ≒√（Ｍ）δｎＧ≒６×１０８となる。よって、検出可能な最小（光信号）漏洩ｒＥ
ｍｉｎは、ｒＥ
ｍｉｎ≒δｎＢ／ｎ≒１０－５となる。
【0096】
目標動作利得Ｇｏｐが１０の場合、盗聴者が利用できる可能性のある剰余はδＧ＝１０－４をこえるべきではないので、δＧ／Ｇ≒ｒＥ
ｍｉｎ≒１０－５（単一アンプの場合、ｒＥ
ｍｉｎ≒１０－７）となる。したがって、アクティブファイバセクション長ｌは、最大ポンピングパワーＰｐ，ｍａｘで対応する利得Ｇ（目標最大利得Ｇｍａｘ）が、１０＋１０－４に等しくなるようなものでなければならない（ただし、目標動作利得Ｇｏｐは１０）。
【0097】
アクティブファイバセクション長ｌは、Ｇ＝Ｇｍａｘ及びＰｐ＝Ｐｐ，ｍａｘとして、式（４）によって決定できる。アクティブファイバセクション長ｌは、（１）アクティブファイバセクションに初期長さｌｉｎｉｔ(たとえば、アクティブファイバセクション長ｌの初期の概算値の１１０％)を与え、（２）最大ポンピングパワーＰｐ，ｍａｘ（ポンピングデバイス１６に依存する）でポンピングデバイス１６を動作させ、利得Ｇを決定し、（３）アクティブファイバセクション１５の長さを調整する（例えば、減少する）ことによっても決定できる。これは、利得Ｇが目標最大利得Ｇｍａｘに等しくなるまで繰り返し実行される。それから、アクティブファイバセクション長ｌは、利得Ｇが目標最大利得Ｇｍａｘに等しいアクティブファイバセクション長として設定される。
【0098】
アクティブファイバセクション長ｌを定めると（ステップ４１）、ステップ４２によって動作ポンピングパワーＰｐ，ｏｐを以下のように決定できる。動作ポンピングパワーＰｐ，ｏｐは、最大ポンピングパワーＰｐ，ｍａｘよりも小さい。ポンピングデバイス１６は、最大の反転分布を保証するために、最大ポンピングパワーＰｐ，ｍａｘでＱＫＤの間に動作させることもできる。しかし、これには、高いエネルギー消費と機器の劣化（特に、（アクティブ）光ファイバ及びポンピングデバイス１６の）を伴いうる。提案された方法によれば、動作ポンピングパワーＰｐ，ｏｐは、ポンピングデバイス１６にアクセスした盗聴者がポンピングパワーをどれだけ増加させたとしても伝送路コントロールで検出可能な最小漏洩ｒＥ
ｍｉｎより大きな光信号の割合を抽出することができないように決定できる。
【0099】
図５は、異なる信号パワーＰｓに対する定められたアクティブファイバセクション長ｌにおけるポンピングパワー（ポンプパワー）Ｗの関数として、光増幅器１４の利得ＧをｄＢでプロットしたものを示す。この例では、光増幅器１４のポンピングパワーは４００ｍＷに制限される（Ｐｐ，ｍａｘ＝４００ｍＷ）。目標動作利得Ｇｏｐは水平線５０で示され、目標最大利得Ｇｍａｘは水平線５１で示される。
【0100】
（最適な）動作ポンピングパワーＰｐ，ｏｐは、各信号パワー固有の曲線と水平線５０の交点に相当する。Ｐｐ，ｏｐの具体的な値は、Ｇ＝Ｇｏｐ及びｌをステップ４１によって決定されたものとして、式（１）～式（３）によって決定できる。式（３）のｎ２が、式（１）によると、ポンピングパワーＰｐと信号パワーＰｓに依存することに注意する。異なる信号パワーに対する最適な動作ポンピングパワーＰｐ，ｏｐは、垂直線５２～５５で示されている。図５では、次のパラメータが使用された。σａ（νｓ）＝８．２３×１０－２５ｍ２、σｅ（νｓ）＝７．２×１０－２５ｍ２、σａ（νｐ）＝４．９３×１０－２５ｍ２、σｅ（νｐ）＝１×１０－２５ｍ２、λｓ＝１５３０ｎｍ、λｐ＝９８０ｎｍ、τ＝１０ｍｓ、ρ＝１×１０－２５ｍ２、ωｓ＝１．６８μｍ、ωｐ＝１．４１μｍ。
【0101】
与えられた目標最大光子数Ｎ及び目標最大信号パワーＰｓ，ｍａｘに対して、次の動作ポンピングパワーＰｐ，ｏｐが決定される。
【0102】
【表1】
【0103】
ステップ４１によってアクティブファイバセクション長ｌを定め、ステップ４２によって動作ポンピングパワーＰｐ，ｏｐを定めた後、第１データ処理装置１１と第２データ処理装置１２との間の共有鍵は、第１データ処理装置１１と第２データ処理装置１２との間で伝えられる光信号に対応して増幅することを含む、ステップ４３による量子鍵配送によって決定できる。
【0104】
（ｃ）共有鍵決定のステップ
図６には、ステップ４３に対応する量子鍵配送によって共有鍵を決定するための（サブ）ステップのグラフ表示が示されている。第１データ処理装置１１と第２データ処理装置１２は、認証された（パブリック）古典チャネルを介して接続され、伝送路１０の光ファイバは量子チャネルとして機能する。
図６には、ステップ４３に対応する量子鍵配送によって共有鍵を決定するための（サブ）ステップのグラフ表示が示されている。第１データ処理装置１１と第２データ処理装置１２は、認証された（パブリック）古典チャネルを介して接続され、伝送路１０の光ファイバは量子チャネルとして機能する。
【0105】
初期ステップ６０では、伝送路１０（特にその光ファイバセグメント）の初期内部損失プロファイルが決定され、これは本質的に伝送路１０における自然な信号損失を表す。この準備的なステップでは、伝送路１０に盗聴者がアクセスしていないことが保証されるべきである。初期損失プロファイルは、認証された古典通信チャネルを介して第１及び第２データ処理装置１１、１２の間で共有されうる。
【0106】
第１ステップ６１では、伝送路１０の物理的損失制御が（例えば、第１及び第２データ処理装置１０、１１によって）実行される。特に、内部損失プロファイルが決定され、好ましくは、古典チャネルを介して第１データ処理装置１１と第２データ処理装置１２との間で共有される。
【0107】
このように更新された内部損失プロファイルを初期の内部損失プロファイルと比較することによって、盗聴者によって補足された可能性がある信号の部分ｒＥを決定しうる。たとえば、光増幅器１４を含まない伝送路１０のセクションにおいて、このセクションにおける自然信号損失がｒ０で表され、盗聴者が信号の傍受された部分ｒＥを傍受した場合、次の関係を介して総損失ｒｔから傍受された部分ｒＥを導出することができる。
【0108】
【数5】
【0109】
傍受された部分ｒＥが大きくなりすぎて、正規のユーザーが盗聴者に対する情報上の優位性を失った場合、プロトコルは終了する。プロトコルの終了は、伝送路１０の長さと２つの光増幅器１４の間の距離に依存する。プロトコルは、特に、実行キーレートが目標キーレート値を下回る場合に、終了されうる。
【0110】
第２ステップ６２では、乱数発生器を使用して、シーケンス長Ｌのビットシーケンスが第１データ処理装置１１で決定される。
【0111】
第３ステップ６３において、ビットシーケンスは一連のＬキー信号パルス（コヒーレント光パルス）を含む光信号にエンコードされ、光信号が（伝送路１０を介して）第２データ処理装置１２に伝えられる。
【0112】
信号ビット０及び１は、それぞれコヒーレント状態｜γ０〉及び｜γ１〉に対応する。０及び１の信号ビットをコヒーレント状態｜γ０〉及び｜γ１〉のパラメータにエンコードする特定の方法は異なっていてもよい。たとえば、信号ビットは、異なる強度／光子数及び同じ位相を有するコヒーレント光パルスにエンコードされてもよく、あるいは、同じ強度及び異なる位相を有するコヒーレント光パルスにエンコードされてもよい。
【0113】
比較的高い信号強度を有する光信号は、盗聴者が利用できる信号の割合が小さく、盗聴装置１３が光子の量子数のみを取得することができる限り、すなわち、測定精度が量子ノイズによって覆い隠される限り、使用されうる。強度暗号化の場合、ｍａｘ(｜γ０|,｜γ１|)～｜｜γ１|２－｜γ０|２｜の場合がこれに該当する。
【0114】
第４ステップ６４では、光信号／コヒーレント光パルスは、伝送路１０に沿って設けられた１つ又は複数の光増幅器１４によって増幅される。それぞれの光増幅器１４は、ステップ４１によって決定されたアクティブファイバセクション長ｌのアクティブファイバセクション１５を備える。さらに、それぞれの光増幅器１４は、ステップ４２による動作ポンピングパワーＰｐ，ｏｐで動作し、目標動作利得Ｇｏｐをもたらすポンピングデバイス１６を備える。たとえ、盗聴者がポンピングパワーを動作ポンピングパワーＰｐ，ｏｐを超えて最大ポンピングパワーＰｐ，ｍａｘまで増加させたとしても、対応する可能性のある信号漏洩は、検出可能な最小（光信号）漏洩ｒＥ
ｍｉｎの大きさのオーダーに制限される。
【0115】
第５ステップ６５において、光信号は、第２データ処理装置１２によって受信され、測定される。対応する受信ビットシーケンスは、第２データ処理装置１２において決定される。決定されたすべての人為的損失は、信号の傍受された部分ｒＥを表すと仮定しうる。
【0116】
第６ステップ６６において、第２データ処理装置１２での量子測定値が決定的ではないと判定された決定的ではない信号ビットは、第１データ処理装置１１のビットシーケンス及び第２データ処理装置１２の受信ビットシーケンスから破棄される。この目的のために、決定的ではない信号ビットのビット位置は、古典チャネルを介して第２データ処理装置１２から第１データ処理装置１１に伝えられる。
【0117】
第７ステップ６７において、古典チャネルを介してビットシーケンス及び／又は受信ビットシーケンスの一部を開示することで、第１データ処理装置１１及び第２データ処理装置１２によって、それぞれビットシーケンス及び受信ビットシーケンスに対してエラー率を決定でき、エラーの訂正を実行できる。エラーの訂正は、例えば、低密度パリティチェック（ＬＤＰＣ）コードを使用して実行されうる。その結果、第１及び第２データ処理装置１１、１２において、エラーが訂正されたビットシーケンスが決定される。
【0118】
第８ステップ６８では、プライバシー増幅を使用して、エラーが訂正されたビットシーケンスから増幅されたキーシーケンスが決定される。増幅されたキーシーケンスはエラーが訂正されたビットシーケンスよりも短く、潜在的な盗聴者は増幅されたキーシーケンスに関する情報をまったく持っていないか、無視できるほど小さい情報を持っている。増幅されたキーシーケンスは、量子鍵配送の結果としての第１データ処理装置１１と第２データ処理装置１２との間の共有キーシーケンスを表す。
【0119】
第１ステップ６１から第８ステップ６８までのステップは繰り返され（矢印６９）、共有鍵の全長が、現在のアプリケーションで必要とされる長さになるまで、増幅されたキーシーケンスが（全体の）共有鍵に連結される。
【0120】
ステップ６１から６８までのすべての間、伝送路１０は連続的に制御されうる（６０ａ）。したがって、信号損失プロファイルが決定され、好ましくは、古典チャネルを介して第１データ処理装置１１と第２のデータ処理装置１２との間で共有される。伝送路１０の完全性が、盗聴者が散乱損失を解読するかなりの危険性の程度まで損なわれた場合、プロトコルは終了されうる。
（ｄ）伝送路制御
図７は、信号損失プロファイルに対応する光学的時間領域反射率測定から得られる例示的なリフレクトグラムを示す。基本的な測定は、出力１００ｍＷ未満で、２μｓ、１５５０ｎｍパルスレーザを使用して実行された。実験データは１６，０００回の測定が平均されている。
（ｄ）伝送路制御
図７は、信号損失プロファイルに対応する光学的時間領域反射率測定から得られる例示的なリフレクトグラムを示す。基本的な測定は、出力１００ｍＷ未満で、２μｓ、１５５０ｎｍパルスレーザを使用して実行された。実験データは１６，０００回の測定が平均されている。
【0121】
リフレクトグラムは、後方散乱光信号（特に高強度光テストパルス）パワーの対数を、反射率計と対応する不連続部との間の距離の関数として示す。反射率計は、第１データ処理装置１１及び／又は第２データ処理装置１２の内部又はその近くに配置できる。
【0122】
伝送路１０に沿った自然な信号損失は均質な散乱によるもので、線形領域７０に対応するパワーの指数関数的減衰をもたらす。リフレクトグラムの特徴７１から７４は、リフレクトグラム曲線の指数関数的減衰からの偏差、特にリフレクトグラム曲線の鋭いピーク及び／又はドロップから構成され、伝送路１０の対応する位置での信号損失を分類することを可能にする。これは初期ステップ６０、鍵交換中に決定された損失と比較するために局所的な損失を特定し軽減することが重要である、において特に有用である。
【0123】
リフレクトグラムの特徴７１から７４は、一般に、伝送路１０の不完全性に対応し、例えば、低品質の接続、曲がり、及び異なるコネクタを表しうる。このような領域からの散乱損失は、伝送路１０に関して局所的に発生する。リフレクトグラムの特徴７１から７４のピークは、過剰な散乱に起因されえ、物理コネクタの場合、テストパルスがフレネル反射を受けることに起因する。リフレクトグラムの右側にあるノイズの多い領域７５は、後方散乱信号の終わりを表す。
【0124】
さらに又は代わりに、伝送路制御は透過測定を含んでもよい。すなわち、第１データ処理装置１１によって送信され、第２データ処理装置１２によって受信されたテストパルスの強度が、伝送路１０のそれぞれの位置での信号損失を分類するために分析される。第２データ処理装置１２において受信された光信号を分析することによる分類は、第２データ処理装置１２において実行されてもよい。第１データ処理装置１１はまた、特に後方散乱されたテストパルス成分の測定値と第２データ処理装置１２で受信されたテストパルスの測定値を組み合わせることによって、分類を実行するように構成されてもよい。
【0125】
固有の信号損失と人為的な信号損失とを区別するために、初期信号損失プロファイルが基準として使用される。再現不可能なプロファイル、すなわち伝送路１０の物理的に複製不可能な構造を提供するために、（パッシブ）光ファイバセグメントは、例えば、アルミニウム、リン、窒素、又はゲルマニウムでわずかにドープされてもよい。最も一般的な盗聴攻撃は、伝播信号と補助システムを含む結合システムの量子状態のユニタリ変換に対応する。しかし、光子の方向を変える唯一の方法は、光ファイバ媒体に大幅な変更を導入することであり、これにより必然的に（初期の）リフレクトグラムからの変更が生じ、検出可能になる。
【0126】
本明細書、図面及び／又は特許請求の範囲に開示される特徴は、単独で、又はそれらの様々な組み合わせとして、様々な実施形態を実現するための材料となりうる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【外国語明細書】
