特開 2024-75980 量子鍵配布システム、光信号受信装置、量子鍵配送方法

(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】P2024075980

(43)【公開日】2024-06-05

(54)【発明の名称】量子鍵配布システム、光信号受信装置、量子鍵配送方法

(51)【国際特許分類】

   H04L 9/12 20060101AFI20240529BHJP

【ＦＩ】

H04L9/12

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022187289

(22)【出願日】2022-11-24

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】本庄 利守

(72)【発明者】

【氏名】武居 弘樹

(72)【発明者】

【氏名】生田 拓也

(72)【発明者】

【氏名】井上 恭

(57)【要約】

【課題】より低コスト、かつダークカウントの発生が少ない量子鍵配送システムを提供する。
【解決手段】パルス光間の位相差が０、π／２、π、３π／２のいずれかの微弱なパルス光をランダムに送信する光信号送信装置１００、遅延時間２Ｔ、伝搬位相差０のマッハツェンダー干渉計３１、遅延時間Ｔで伝搬位相差π／２のマッハツェンダー干渉計３２、マッハツェンダー干渉計３１、３２を通って出力された光子を検出する光子検出器３２３，３２４を備える光信号受信装置３を含み、光信号受信装置３は、検出された光子の情報を、この光子を検出した光子検出器に対応付けて記録し、光子を検出した光子検出器に対応して１または０ビットを生成し、光子が検出された場合、この光子が検出された時刻の情報を光信号送信装置１００に通知する量子鍵配送システムを構成する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光の量子力学的性質に基づいて、暗号通信のための秘密鍵を安全に離れた二者に供給する量子鍵配送システムであって、
１パルス光あたりの平均光子数が１光子未満であり、かつ隣接するパルス光間の位相差が０、π／２、π、３π／２のいずれかである４連続のパルス光を時間的にランダムに送信する光信号送信装置と、
前記光信号送信装置から送信された前記パルス光を受信する光信号受信装置と、を含み、
前記光信号受信装置は、
遅延時間が前記パルス光の間隔の２倍に等しく、伝搬位相差が０である第１のマッハツェンダー干渉計と、
前記第１のマッハツェンダー干渉計と接続され、遅延時間が前記パルス光の間隔に等しく、伝搬位相差がπ／２である第２のマッハツェンダー干渉計と、
前記第１のマッハツェンダー干渉計及び前記第２のマッハツェンダー干渉計を通って出力された光子を検出する第１の光子検出器及び第２の光子検出器と、
前記第１の光子検出器及び前記第２の光子検出器において検出された光子に係る情報を、当該光子を検出した前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器に対応付けて記録する光子記録部と、
前記第１の光子検出器が光子を検出することよって第1のビットを生成し、前記第２の光子検出器が光子を検出することよって前記第１のビットと異なる第２のビットを生成するビット列生成部と、
前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器が光子を検出した場合、当該光子が検出された時刻にかかる情報を、前記光信号送信装置に通知する通知部と、を備え、
前記パルス光の位相に基づいて、暗号通信に用いる秘密鍵を生成する量子鍵配送システム。

【請求項2】

前記光信号送信装置は、４連続の前記パルス光をフレーム化して送信し、前記パルス光のフレームの間に散発的にダミーパルスを挿入する、請求項１に記載の量子鍵配送システム。

【請求項3】

１パルス光あたりの平均光子数が１光子未満であり、かつ隣接するパルス光間の位相差が０、π／２、π、３π／２のいずれかである４連続のパルス光を時間的にランダムに受信する光信号受信装置であって、
遅延時間が前記パルス光の間隔の２倍に等しく、伝搬位相差が０である第１のマッハツェンダー干渉計と、
前記第１のマッハツェンダー干渉計と接続され、遅延時間が前記パルス光の間隔に等しく、伝搬位相差がπ／２である第２のマッハツェンダー干渉計と、
前記第１のマッハツェンダー干渉計及び前記第２のマッハツェンダー干渉計を通って出力された光子を検出する第１の光子検出器及び第２の光子検出器と、
前記第１の光子検出器及び前記第２の光子検出器において検出された光子に係る情報を、当該光子を検出した前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器に対応付けて記録する光子記録部と、
前記第１の光子検出器が光子を検出することよって第1のビットを生成し、前記第２の光子検出器が光子を検出することよって前記第１のビットと異なる第２のビットを生成するビット列生成部と、
前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器が光子を検出した場合、当該光子が検出された時刻にかかる情報を、前記パルス光を送信した光信号送信装置に通知する通知部と、を備え、
前記パルス光の位相に基づいて、暗号通信に用いる秘密鍵を生成する光信号受信装置。

【請求項4】

前記第１のマッハツェンダー干渉計は、第２マッハツェンダー干渉計の前段、または後段に接続される、請求項３に記載の光信号受信装置。

【請求項5】

４連続の前記パルス光がフレーム化されている、請求項３に記載の光信号受信装置。

【請求項6】

１パルス光あたりの平均光子数が１光子未満であり、かつ隣接するパルス光間の位相差が０、π／２、π、３π／２のいずれかである４連続のパルス光を時間的にランダムに受信する工程と、
遅延時間が前記パルス光の間隔の２倍に等しく、伝搬位相差が０である第１のマッハツェンダー干渉計と、前記第１のマッハツェンダー干渉計と接続され、遅延時間が前記パルス光の間隔に等しく、伝搬位相差がπ／２である第２のマッハツェンダー干渉計と、を通って出力された光子を第１の光子検出器及び第２の光子検出器によって検出する工程と、
前記第１の光子検出器及び前記第２の光子検出器において検出された光子に係る情報を、当該光子を検出した前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器に対応付けて記録する工程と、
前記第１の光子検出器が光子を検出することよって第1のビットを生成し、前記第２の光子検出器が光子を検出することよって前記第１のビットと異なる第２のビットを生成する工程と、
前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器が光子を検出した場合、当該光子が検出された時刻にかかる情報を、前記パルス光を送信した光信号送信装置に通知する工程と、を含み、
前記パルス光の位相に基づいて、暗号通信に用いる秘密鍵を生成する量子鍵配送方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、４値差動位相シフトによりパルス光を送受信して秘密鍵を生成する量子鍵配送システム、この光信号受信装置及び量子鍵配送方法に関する。

【背景技術】

【0002】

光の量子力学的性質を利用して、離れた二者に暗号通信のための秘密鍵を供給する量子鍵配送（Quantum Key Distribution: QKD）の研究開発が進められている。ここでは、４値差動位相シフト（Differential Quadrature Phase Shift：DQPS）ＱＫＤについて述べる。ＤＱＰＳ－ＱＫＤは、送信装置から連続するパルス光（以下、「パルス列」とも記す）を送信し、これを受信装置がマッハツェンダー干渉計（Mach-Zehnder Interferometer:MZI）で分岐、合波し、４つの光子検出器により検出する。送信されるパルス列のパルス光は、いずれも位相が０、π／２、π、３π／２のいずれかであって、光子エネルギーが微弱である。このような構成においては、隣接するパルス光（パルス列における直前または直後のパルス光）の位相差と、光子を検出した光子検出器、及び検出確率との間に対応関係がある。公知のＤＱＰＳ－ＱＫＤは、この点を利用し、送信されたパルス列に含まれる隣接するパルス光の位相差に基づいて鍵ビット値を生成する。このようなＤＱＰＳ－ＱＫＤは、例えば、非特許文献１に記載されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】“Differential‐quadrature‐phase-shift quantum key distribution,” Kyo Inoue and Yuuki Iwai, Phys. Rev. A 79, 022319 ‐ Published 20 February 2009.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記したように、非特許文献１に記載のＤＱＰＳ―ＱＫＤシステムは、微弱なパルス光を送受信して鍵ビット値を生成している。しかしながら、微弱なパルス光の光子を検出する光子検出器は、１光子レベルの光エネルギーを検出する超高感度受信特性を備えている。このため、ＤＱＰＳ－ＱＫＤ装置に用いられる光子検出器は、他の光子検出器よりも装置構成が複雑であり、かつ高コストである。また、このような光子検出器では、光子が入力されていないにも関わらず、光子が検出される、ダークカウントと呼ばれる現象が起こり得る。ダークカウントは、鍵ビットの誤りの一因となる。

【0005】

また、非特許文献１に記載のＤＱＰＳ－ＱＫＤシステムは、４つの位相状態を判別することに起因して、光子検出器を４台使用する。この点は、ＤＱＰＳ－ＱＫＤシステムをいっそう高コスト化する。また、ダークカウントが起こる確率は、光子検出器の台数に比例するため、鍵ビットの誤り率を小さくするためにも光子検出器の台数は少ない方が好ましい。

【0006】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、４位相状態を判別しながらも、より低コスト、かつダークカウントの発生が少ない量子鍵配送システム、この光信号受信装置及び量子鍵配送方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために本発明の一形態の量子鍵配送システムは、光の量子力学的性質に基づいて、暗号通信のための秘密鍵を安全に離れた二者に供給する量子鍵配送システムであって、１パルス光あたりの平均光子数が１光子未満であり、かつ隣接するパルス光間の位相差が０、π／２、π、３π／２のいずれかである４連続のパルス光を時間的にランダムに送信する光信号送信装置と、光信号送信装置から送信されたパルス光を受信する光信号受信装置と、を含み、光信号受信装置は、遅延時間がパルス光の間隔の２倍に等しく、伝搬位相差が０である第１のマッハツェンダー干渉計と、第１のマッハツェンダー干渉計と接続され、遅延時間がパルス光の間隔に等しく、伝搬位相差がπ／２である第２のマッハツェンダー干渉計と、第１のマッハツェンダー干渉計及び第２のマッハツェンダー干渉計を通って出力された光子を検出する第１の光子検出器及び第２の光子検出器と、第１の光子検出器及び第２の光子検出器において検出された光子に係る情報を、当該光子を検出した第１の光子検出器または第２の光子検出器に対応付けて記録する光子記録部と、第１の光子検出器が光子を検出することよって第1のビットを生成し、第２の光子検出器が光子を検出することよって第１のビットと異なる第２のビットを生成するビット列生成部と、第１の光子検出器または第２の光子検出器が光子を検出した場合、当該光子が検出された時刻にかかる情報を、光信号送信装置に通知する通知部と、を備え、パルス光の位相に基づいて、暗号通信に用いる秘密鍵を生成する。

【0008】

本発明の一形態の光信号受信装置は、１パルス光あたりの平均光子数が１光子未満であり、かつ隣接するパルス光間の位相差が０、π／２、π、３π／２のいずれかである４連続のパルス光を時間的にランダムに受信する光信号受信装置であって、遅延時間がパルス光の間隔の２倍に等しく、伝搬位相差が０である第１のマッハツェンダー干渉計と、
第１のマッハツェンダー干渉計と接続され、遅延時間がパルス光の間隔に等しく、伝搬位相差がπ／２である第２のマッハツェンダー干渉計と、第１のマッハツェンダー干渉計及び第２のマッハツェンダー干渉計を通って出力された光子を検出する第１の光子検出器及び第２の光子検出器と、第１の光子検出器及び第２の光子検出器において検出された光子に係る情報を、当該光子を検出した第１の光子検出器または第２の光子検出器に対応付けて記録する光子記録部と、第１の光子検出器が光子を検出することよって第1のビットを生成し、第２の光子検出器が光子を検出することよって第１のビットと異なる第２のビットを生成するビット列生成部と、第１の光子検出器または第２の光子検出器が光子を検出した場合、当該光子が検出された時刻にかかる情報を、光信号送信装置に通知する通知部と、を備え、パルス光の位相に基づいて、暗号通信に用いる秘密鍵を生成する。

【0009】

本発明の一形態の量子鍵配送方法は、１パルス光あたりの平均光子数が１光子未満であり、かつ隣接するパルス光間の位相差が０、π／２、π、３π／２のいずれかである４連続のパルス光を時間的にランダムに受信する工程と、遅延時間がパルス光の間隔の２倍に等しく、伝搬位相差が０である第１のマッハツェンダー干渉計と、第１のマッハツェンダー干渉計と接続され、遅延時間がパルス光の間隔に等しく、伝搬位相差がπ／２である第２のマッハツェンダー干渉計と、を通って出力された光子を第１の光子検出器及び第２の光子検出器によって検出する工程と、第１の光子検出器及び第２の光子検出器において検出された光子に係る情報を、当該光子を検出した第１の光子検出器または第２の光子検出器に対応付けて記録する工程と、第１の光子検出器が光子を検出することよって第1のビットを生成し、第２の光子検出器が光子を検出することよって第１のビットと異なる第２のビットを生成する工程と、第１の光子検出器または第２の光子検出器が光子を検出した場合、当該光子が検出された時刻にかかる情報を、光信号送信装置に通知する工程と、を含み、パルス光の位相に基づいて、暗号通信に用いる秘密鍵を生成する。

【発明の効果】

【0010】

以上の形態によれば、４位相状態を判別しながらも、より低コスト、かつダークカウントの発生が少ない量子鍵配送システム、この光信号受信装置及び量子鍵配送方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施形態の比較例となるＤＱＰＳ－ＱＫＤシステムを説明するための模式的な構成図である。

【図2】図１に示す構成において、与えられた光子が検出される確率と、光子を検出する光子検出器との関係を表す図である。

【図3】、本実施形態の量子鍵配送システムの光信号受信装置を説明するための図である。

【図4】図３に示す各径路をそれぞれ経た光パルス列を説明するための図である。

【図5】本実施形態の量子鍵配送方法において行われるデータの送受信を説明するためのシーケンス図である。

【図6】図５のシーケンス図中に記した処理を説明するためのフローチャートである。

【図7】図５のシーケンス図中に記した他の処理を説明するためのフローチャートである。

【図8】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、なりすまし攻撃が行われた際の光パルス列の変遷を説明するための図である。

【図9】光信号受信装置３に受信された図８（ｃ）の４連パルス列の時間位置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［概要］
以下、本発明の一実施形態の説明に先立って、本実施形態の比較例となるＤＱＰＳ－ＱＫＤシステムを説明する。以下、本発明の一実施形態の説明に先立って、本実施形態で利用する公知の量子鍵配送装置を比較例として説明する。なお、概要及び実施形態で示す図面は、いずれも本発明の構成の配置、動作、機能、目的、効果、技術思想等を説明する模式的な図であって、本実施形態の具体的な構成を限定するものではない。また、図面にあっては同様の部材に同様の符号を付し、その説明の一部を略す場合もある。

【0013】

図１は、本実施形態の比較例となる非特許文献１に記載のＤＱＰＳ－ＱＫＤシステムを説明するための模式的な構成図である。図１に示すＤＱＰＳ－ＱＫＤシステムは、送信者となる光信号送信装置１００、受信者となる光信号受信装置３００とを含んでいる。光信号送信装置１００は、コヒーレントパルス光源１０１、位相変調器１０２、及び光減衰器１０３を備えている。

【0014】

光信号受信装置３００は、マッハツェンダー干渉計３０１、３０２を備えている。マッハツェンダー干渉計３０１は、入力された光パルス列の伝送路ｒｐを伝送路ｒｑと伝送路ｒｒとに分岐するビームスプリッタ３１１、分岐された光パルス列を合波するビームスプリッタ３２１を備えている。マッハツェンダー干渉計３０１において、伝送路ｒｒと伝送路ｒｑとの伝搬位相差は０である。マッハツェンダー干渉計３０２は、入力された光パルス列を伝送路ｒｕと伝送路ｒｖとに分岐するビームスプリッタ３１２、分岐された光パルス列を合波するビームスプリッタ３２２を備えている。マッハツェンダー干渉計３０２は、入力された光パルス列の伝送路ｒｔを伝送路ｒｕと伝送路ｒｖとに分岐するビームスプリッタ３１２、分岐された光パルス列を合波するビームスプリッタ３２２を備えている。マッハツェンダー干渉計３０２において、伝送路ｒｕと伝送路ｒｖとの伝搬位相差はπ／２である。

【0015】

上記構成において、光信号送信装置１００は、コヒーレントパルス光源１０１から出力されたパルス光の位相を変調し、各パルス光の位相を｛０，π／２，π，３π／２｝のいずれかにする。光減衰器１０３は、１パルス当たりの光エネルギーを１光子エネルギー未満（例えば０．１光子エネルギー）に減衰する。このような位相を持ち、かつ、減衰された光パルス列は、光信号として伝送路ｒｏに出力される。光信号は、光ファイバ２００を介して光信号受信装置３００に受信される。

【0016】

光信号受信装置３００においては、伝送路ｒｏを通って送られてきた光パルス列を伝送路ｒｐ、ｒｔに２分岐して送り、それぞれをマッハツェンダー干渉計３０１、３０２に入力させる。マッハツェンダー干渉計３０１においては、伝送路ｒｐを通る光パルス列をビームスプリッタ３１１により伝送路ｒｒ、ｒｑに分岐する。この際、伝送路ｒｒを通る光パルス列にはパルス間隔時間と等しい伝送遅延が与えられる。伝送路ｒｒ、ｒｑを通った光パルス列は、再び２入力２出力のビームスプリッタ３２１により合波される。マッハツェンダー干渉計３０２においては、伝送路ｒｔを通る光パルス列をビームスプリッタ３１２により伝送路ｒｖ、ｒｕに分岐する。この際、伝送路ｖを通る光パルス列にはパルス間隔時間と等しい伝送遅延が与えられる。伝送路ｒｖ、ｒｕを通った光パルス列は、再び２入力２出力のビームスプリッタ３２２により合波される。マッハツェンダー干渉計３０１において伝送路ｒｒ、ｒｑに分岐した光パルス列の伝送位相差は０、マッハツェンダー干渉計３０２において伝送路ｒｖ、ｒｕに分岐した光パルス列の伝送位相差はπ／２である。

【0017】

マッハツェンダー干渉計３０１の出力端子Ｏ１０、Ｏ１１には、それぞれ光子検出器Ｄ１０、Ｄ１１が設けられている。また、マッハツェンダー干渉計３０２の出力端子Ｏ２０、Ｏ２１には、それぞれ光子検出器Ｄ２０、Ｄ２１が設けられている。マッハツェンダー干渉計３０１、３０２では、分岐された光パルス列が、その伝送路長の相違によって１パルス分時間シフトされて合波されるため、伝送路ｒｒ、ｒｔを通る光パルス列における隣接するパルス光（一のパルス光と、このパルス光の直前または直後のパルス光）が重なり合って干渉し、両者の位相差に応じた光子検出器Ｄ１０等で光子が検出される。ただし、光信号送信装置１００から送信される光パルス列の光子エネルギーは微小、すなわち光子数が少ない。このため、光パルス列に含まれる光子は、４つの光子検出器Ｄ１１等のいずれかひとつに散発的に検出されることになる。光信号受信装置３００においては、光子が検出された場合、光子を検出した光子検出器と、検出された時刻とが記録される。

【0018】

ここで、隣接するパルス光の位相差と、光子を検出する光子検出器Ｄ１０、Ｄ１１、Ｄ２０、Ｄ２１との関係について説明する。この説明においては、光信号受信装置３００の入力端において隣接する２つのパルスの振幅を、それぞれａｅｘｐ（ｉθ₁）、ａｅｘｐ（ｉθ₂）と表記する。ａは実数振幅、θ_nは位相である。また、ビームスプリッタ３１１、３１２において反射された光パルス列が通る経路ｒｒ、ｒｖをそれぞれ「長経路」、ビームスプリッタ３１１、３１２において透過された光パルス列が通る経路ｒｑ、ｒｕをそれぞれ「短経路」とも記す。経路ｒｐ、ｒｔを通った光パルス列がそれぞれ二分岐され、長経路を経て出力端子Ｏ１０、Ｏ１１、Ｏ２０、Ｏ２１に達したときの振幅は、ビームスプリッタでの反射の際に位相がπ／２シフトすることを考慮すると、以下のように表せられる。

【0019】

【0020】

【0021】

【0022】

【0023】

図１に示した公知のＤＱＰＳ－ＱＫＤシステムでは、光信号送信装置１００から送られてくる光パルス列の位相は、｛０，π／２，π，３π／２｝のいずれかであるため、その隣接パルスの位相差は｛０，π／２，π，３π／２｝のいずれかである。各光子検出器Ｄ１０、Ｄ１１、Ｄ２０、Ｄ２１の光子検出確率を表す式のΔθにこれらの位相差を代入すると、各位相差について光子が検出される確率が与えられる。図２は、与えられた光子が検出される確率と、光子を検出する光子検出器との関係を表している。ただし、図２は、ａ²＝１とした確率を表示しており、これは光子が検出されたとしたときの条件付き確率に相当する。

【0024】

図２によれば、光パルス列における隣接するパルス光（以下、「隣接パルス」とも記す）の位相差が０またはπであればマッハツェンダー干渉計３０１の光子検出器Ｄ１０またはＤ１１のいずれか一方が光子を検出することが分かる。また、隣接パルスの位相差がπ／２または３π／２であればマッハツェンダー干渉計３０１の光子検出器Ｄ１０またはＤ１１のいずれか一方が光子を検出することが分かる。このようなＤＱＰＳ－ＱＫＤシステムを用いた秘密鍵の生成は、以下のように行われる。

【0025】

光信号送信装置１００は、光信号受信装置３００に対して光パルス列を送信する。光信号受信装置３００は、光パルス列の光子を検出したマッハツェンダー干渉計と、光子検出された時間スロットを光信号送信装置１００に通知する。この際、光信号受信装置３００は、光子を検出した光子検出器を特定する情報を光信号送信装置１００に通知しない。これに対し、光信号送信装置１００は、光子検出した時間スロットにおける、干渉パルスの変調位相差が{０，π}のグループに属するか｛π／２，３π／２｝のグループに属するかを光信号受装置３００に通知する。この通知は、位相差がどのグループに属するのかのみであり、位相差そのものの値を知らせることはない。

【0026】

次に、光信号送信装置１００は、隣接パルスの位相差と、光子を検出したマッハツェンダー干渉計との組み合わせが確定的である光信号のデータを残し、他のデータを廃棄する。ここで、隣接パルスの位相差とマッハツェンダー干渉計の組み合わせが確定的である、とは、隣接パルスの位相差が位相差{０，π}のグループであって、かつマッハツェンダー干渉計３０１で光子検出されたデータと、隣接パルスの位相差が位相差{π／２，３π／２}のグループであって、かつマッハツェンダー干渉計３０２で光子検出されたデータをいう。

【0027】

光信号送信装置１００においては、送信した光信号の隣接パルスの位相差が０またはπ／２であればビット０が生成され、隣接パルスの位相差がπまたは３π／２であればビット１が生成される。光信号受信装置３００は、光子検出した検出器がＤ１０またはＤ２０であればビット０、Ｄ１１またはＤ２１であればビット１をそれぞれ生成する。このようにして生成したビット値は、送受信者で同一となる。そこで、これを鍵ビットとして秘密鍵を共有する。

【0028】

このような秘密鍵生成過程において、送信位相差あるいは光子検出した検出器は、光信号の送信側、受信側で秘匿されたままである。従って、送受信者間の情報交換からは鍵ビット値は分からない。また、伝送中のパルス列を盗聴して位相差を得ようとしても、図２に示されているように、４つの位相値を確定的に測定することはできない。従って、送受信者が生成した秘密鍵は、外部盗聴者には知り得ない安全なものとなっている。

【0029】

［実施形態］
以下、本実施形態の量子鍵配送システム、量子鍵配送方法を説明する。図３は、本実施形態の量子鍵配送システムにおける、光信号受信装置３を説明するための図である。本実施形態の量子鍵配送システムは、図１の量子鍵配送システムと同様に、光信号送信装置と、光信号受信装置とを含む。本実施形態の光信号送信装置は、図１に示す光信号送信装置１００と同様であるため、図示及び説明の一部を略す。

【0030】

すなわち、本実施形態の量子鍵配送システムは、１パルス光あたりの平均光子数が１光子未満であり、かつ隣接するパルス光間の位相差が０、π／２、π、３π／２のいずれかであるパルス光をランダムに送信する光信号送信装置１００と、光パルス列を受信する光信号受信装置３を含んでいる。光信号受信装置３は、遅延時間が２Ｔ、伝搬位相差が０のマッハツェンダー干渉計３１、遅延時間がＴで伝搬位相差がπ／２のマッハツェンダー干渉計３２を備えている。図３においては、マッハツェンダー干渉計３２がマッハツェンダー干渉計３１の後段に接続されていて、このような接続を「マッハツェンダー干渉計３２がマッハツェンダー干渉計３１に従属接続されている」とも記す。また、光信号受信装置３は、マッハツェンダー干渉計３１、３２を通って出力された光子を検出する光子検出器３２３、３２４、光子検出器３２３、３２４において検出された光子に係る情報を、この光子を検出した光子検出器３２３、３２４に対応付けて記録する不図示の光子記録部を備えている。

【0031】

さらに、本実施形態の光信号受信装置３は、光子検出器３２３が光子を検出することよって第1のビットを生成し、光子検出器３２４が光子を検出することよって第２のビットを生成する不図示のビット列生成部及び、光子検出器３２３または光子検出器３２４が光子を検出した場合、この光子が検出された時刻にかかる情報を、光信号送信装置１００に通知する不図示の通知部と、を備えている。第１のビットは、０または１であり、第２のビットは、第１のビットと異なる０または１である。

【0032】

マッハツェンダー干渉計３１は、ビームスプリッタ３１５、３１６を含み、マッハツェンダー干渉計３２はビームスプリッタ３２５、３２６を含む。マッハツェンダー干渉計３２は、光パルス列を出力する出力端子Ｏａ、Ｏｂを備えている。また、光信号受信装置３は、出力端子Ｏａから出力される光パルス列に含まれるパルス光の光子を検出する光子検出器３２３、出力端子Ｏｂから出力される光パルス列に含まれるパルス光の光子を検出する光子検出器３２４を備えている。

【0033】

不図示の光子記録部、ビット生成部及び通知部は、光信号受信装置３において動作する演算装置であり、演算装置は光子検出と光子を検出した光子検出器３２３、３２４とを対応付けて記録する機能、及び光子検出部３２３，３２４の別に応じてビット列を生成する機能を実現するハードウェア、ソフトウェア及びプロトコルを含む。

【0034】

マッハツェンダー干渉計３１のビームスプリッタ３１５を透過した光パルス列は経路ｒaを通ってマッハツェンダー干渉計３２に向かう。一方、ビームスプリッタ３１５で反射された光パルス列は経路ｒｂを通ってマッハツェンダー干渉計３２に向かう。経路ｒｂは経路ｒａよりも長く、本実施形態は、経路ｒａを短経路Ａ、経路ｒｂを長経路Ｂとも記す。また、マッハツェンダー干渉計３２においては、ビームスプリッタ３２５を透過した光パルス列は経路ｒｃを通って光子検出器３２３に向かう。ビームスプリッタ３２５で反射された光パルス列は経路ｒｄを通って光子検出器３２４に向かう。経路ｒｄは経路ｒｃよりも長く、本実施形態は、経路ｒｃを短経路Ｃ、経路ｒｄを長経路Ｄとも記す。

【0035】

マッハツェンダー干渉計３１は、経路ｒａ、ｒｂの二経路を通る光パルス列の伝搬時間差が２Ｔであり、かつ伝搬位相差が０である。マッハツェンダー干渉計３２は、経路ｒｃ、ｒｄの二経路を通る光パルス列の伝搬時間差がＴであり、かつ伝搬位相差がπ／２である。ここで、Ｔは光パルス列のパルス間隔である。なお、ここで、パルス間隔は、パルスに含まれるパルス光のパルス幅の中心から次のパルス光のパルス幅の中心までの時間を指す。

【0036】

光信号送信装置１００は、本実施形態においても、位相（位相値）が{０，π／２，π，３π／２}のいずれかの微弱なパルス光を複数含む光パルス列Ｐを光信号として光信号受信装置３にランダムに送信する。ただし、パルス光の位相値は完全にランダムではなく、４パルス毎にフレーム化されている。一つのフレームに含まれる４つのパルス光の相対移相は後述するパターンにしたがう。各フレームの時間的位置（１フレームにおけるフレーム開始からの経過時間）は、空パルスまたはダミーパルスの挿入等により外部からは分からない。

【0037】

マッハツェンダー干渉計３１に受信された光パルス列が出力端子Ｏａ、Ｏｂまで伝搬する経路及び伝搬時間は以下の４通りとなる。
（１） 短経路Ａ、短経路Ｃを通る経路ＡＣ、伝搬時間Ｔ₀
（２） 短経路Ａ、長経路Ｄを通る経路ＡＤ、伝搬時間Ｔ₀+Ｔ
（３） 長経路Ｂ、短経路Ｃを通る経路ＢＣ、伝搬時間Ｔ₀+２Ｔ
（４） 長経路Ｂ、長経路Ｄを通る経路ＢＤ、伝搬時間Ｔ₀+３Ｔ

【0038】

図４は、経路ＡＣ、ＡＤ、ＢＣ、ＢＤをそれぞれ経た光パルス列を説明するための図である。経路ＡＣ、ＡＤ、ＢＣ、ＢＤを通るフレームの連続する４つのパルス光に着目すると、経路ＡCを経たフレームの４番目のパルス光ｐ４と、経路ＡＤを経たフレームの３番目のパルス光ｐ３と、経路ＢＣを経たフレームの２番目のパルス光ｐ２と、経路ＢＤを経たフレームの１番目のパルス光ｐ１がマッハツェンダー干渉計３２のビームスプリッタ３２６で重なり合う。

【0039】

【0040】

【0041】

【0042】

【0043】

図５は、本実施形態の量子鍵配送方法において行われるデータの送受信を説明するためのシーケンス図である。図６、図７は、図５のシーケンス図中に記した処理を説明するためのフローチャートである。図５に示すように、光信号送信装置１００は、位相が｛０，π／２、π、３π／２｝のいずれかであるパルス光を含む光パルス列を光信号受信装置３に送信する。光パルス列は、１つのパルス光に含まれる光子が平均して１個未満の微弱な信号である（５０１）。パルス光は、４パルス毎にフレーム化されている。一つのフレーム内の４パルスの相対位相θ₂、θ₃、θ₄は｛Δθ₂＝３π／２，Δθ₃＝π，Δθ₄＝π／２｝または｛Δθ₂＝π／２，Δθ₃＝π，Δθ₄＝３π／２｝であるとする。なお、本実施形態は、フレーム間に散発的にダミーパルスを挿入し、フレームの時間位置を外部に知られないようにする。

【0044】

光信号受信装置３は、伝送されてきた光パルス列をマッハツェンダー３１、３２に入力し、光子検出器３２３、３２４で光子を検出する。そして、光子検出に係る光子検出情報を記録する。すなわち、光信号受信装置３は、図６に示すように、先ず、光子を検出したのが光子検出器３２３であるか否かを判断する（ステップＳ６０１）。光子検出器３２３が光子を検出した場合（ステップＳ６０１：Ｙｅｓ）、ビット０を記録する（ステップＳ６０３）。また、光子を検出したのが光子検出器３２３でない場合（ステップＳ６０１：Ｎｏ）、光子検出器３２４が光子を検出したとしてビット１を記録する（ステップＳ６０２）。このように記録されたビット列は、光子検出を繰り返すことによってビット列となる。ビットの記録後、光信号受信装置３は、光子を検出した時刻に係る情報（時間スロット）を記録する（ステップＳ６０４）。さらに、光信号受信装置３は、例えば光パルス列の受信が終了したか否か等によって光子検出の処理が終了したか否かを判断する（ステップＳ６０５）。処理が終了したと判断されない場合（ステップＳ６０５：Ｎｏ）、さらに光子の検出を継続する（ステップＳ６０１）。また、処理が終了したと判断されると（ステップＳ６０５：Ｙｅｓ）、光信号受信装置３は、光子検出情報の作成、記録を終了する。

【0045】

図５に示すように、光子検出情報は、光信号受信装置３から光信号送信装置１００に送られる（５０２）。光子検出情報を受信した光信号送信装置１００は、光子検出情報の時間スロットに基づいて、検出された光子と送信した光パルス列とを比較して、ビット列を生成する。図７は、ビット列を生成するための処理を説明するためのフローチャートである。図７に示すように、光信号送信装置１００は、そして、検出された光子が同一のフレームに含まれる４パルスが干渉した結果であり、かつ、４パルスの相対位相が｛Δθ₂＝３π／２，Δθ₃＝π，Δθ₄＝π／２｝であるか否かを判定する（ステップＳ７０１）。判定の結果、４パルスの相対位相が｛Δθ₂＝３π／２，Δθ₃＝π，Δθ₄＝π／２｝である場合（ステップＳ７０１：Ｙｅｓ）、ビット列にビット０を記録する（ステップＳ７０５）。また、ステップＳ７０１において相対位相が｛Δθ₂＝３π／２，Δθ₃＝π，Δθ₄＝π／２｝でない場合（ステップＳ７０１：Ｎｏ）、１フレーム内の４パルスについて相対位相が｛Δθ₂＝π／２，Δθ₃＝π，Δθ₄＝３π／２｝であるか否か判定する（ステップＳ７０２）。この判定の結果、相対位相が｛Δθ₂＝π／２，Δθ₃＝π，Δθ₄＝３π／２｝であれば（ステップＳ７０２：Ｙｅｓ）、光信号送信装置１００はビット１を生成する（ステップＳ７０６）。

【0046】

また、光信号送信装置１００は、１フレームに含まれる４パルスの相対位相が｛Δθ₂＝π／２，Δθ₃＝π，Δθ₄＝３π／２｝でもない場合（ステップＳ７０２：Ｎｏ）、検出された光子は異なるフレームに含まれるパルス光の干渉であるとして廃棄通知情報を生成する（ステップＳ７０３）。そして、光信号送信装置１００は、処理の終了の可否を判断し（ステップＳ７０４）、処理を継続する場合には（ステップＳ７０４：Ｙｅｓ）再び送信した光パルス列の相対位相の判定を継続する（ステップＳ７０１）。また、ステップＳ７０４において処理を終了すると判断した場合（ステップＳ７０４：Ｎｏ）、ビット列生成の処理を終了する。この後、光信号送信装置１００は、図５に示すように、廃棄通知情報を光信号受信装置３に送信し（５０３）、廃棄されずに残った光子検出情報からビット列を生成する。

【0047】

以上説明した方法により光信号送信装置１００、光信号受信装置３において生成されたビット列は、前述した光子検出特性によって同一のものになる。本実施形態は、このビット列を鍵ビットとして秘密鍵を生成する。

【0048】

以下、本実施形態で生成される秘密鍵の安全性について説明する。本実施形態で生成される秘密鍵は、送信される光パルス列が４位相値を持つ微弱な連続パルスであることと、フレーム位置が送信者以外に分からないことにより確保される。例えば、盗聴者が光パルス列の一部を分岐して各パルス光の位相を測定するビームスプリット攻撃を行った場合、本実施形態の量子配信システムは、光信号送信装置１００から光信号受信装置３に向けて送信される光パルス列が微弱、かつ４位相であるため、盗聴者は光パルス列に含まれるパルス光の全ての位相、または位相差を知ることはできない。このため、盗聴者は、生成された全ての鍵ビット値を得ることはできない。なお、それでも一部のビット値は漏洩するが、一部漏洩分は後に行われる秘匿性増強のデータ処理により除外することができる。

【0049】

また、他の盗聴方法として、なりすまし盗聴法がある。なりすまし盗聴法は、光信号送信装置１００と光信号受信装置３との伝送路に盗聴者が割り込み、光信号受信装置３と同様の受信系で光子を検出する盗聴法である。このとき、盗聴者は、光子検出器３２３に相当する光子検出器で光子を検出した場合、光信号受信装置３に向けて相対位相が｛Δθ₂＝３パπ／２，Δθ₃＝π，Δθ₄＝π／２｝である４連パルスを再送信する。また、盗聴者は、光子検出器３２４に相当する光子検出器で光子を検出した場合、光信号受信装置３に向けて相対位相が｛Δθ₂＝π／２，Δθ₃＝π，Δθ₄＝３π／２｝である４連パルスを再送信する。本実施形態の量子鍵配送システムにおいて、なりすまし盗聴が行われると、信号フレーム位置が分からないことより、再送された光パルス列を受信した光信号受信装置３が生成するビット値が光信号送信装置１００において生成されるビット値と相違する。以下、ビット値の不一致が生じるメカニズムを説明する。

【0050】

図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、なりすまし攻撃が行われた際の光パルス列の変遷を説明するための図である。図８（ａ）は、光信号送信装置１００から送信される光パルス列のうち、連続する２つのフレームｆａ、ｆｂを示す。フレームｆａに含まれるパルス光をパルスｐａ、フレームｆｂに含まれるパルス光をパルスｐｂとする。このような光パルス列に対してなりすまし攻撃を行う場合、盗聴者は、図３に示す光信号受信装置３に相当する多段のマッハツェンダー干渉計を使って光パルス列を測定する。図８（ｂ）は、後段のマッハツェンダー干渉計の出力端において、４通りの経路ＡＣ、ＡＤ、ＢＣ、ＢＤを経た光パルス列が重なり合う状態を示す図である。光子検出器は、重なり合ったパルスｐａ、ｐｂの位相差に応じて光子を検出する。図８（ｂ）に示す例では、時刻ｔ１においてフレームｆａの４つのパルスｐａが重なり合う。パルスｐａが重なり合う時間スロットで光子が検出された場合、盗聴者は、フレームｆａ内の相対位相を正しく知ることができ、それに基づいて４連続パルスを光信号受信装置３に再送する。このようにすれば、盗聴者は、盗聴に気づかれることなく鍵ビットを得ることができる。

【0051】

一方、時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４においては、異なるフレームｆａ、ｆｂに属するパルスｐａとパルスｐｂとが重なり合う。このような場合、盗聴者にとってはフレーム位置が不明であるから、ある時間スロットで発生した光子検出が同一のフレームに属する４パルスによるものか否かが分からない。盗聴者は、光子検出に基づいて、これを同一フレーム内のパルス光であるとみなし、位相差が｛Δθ₂＝３π／２，Δθ₃＝π，Δθ₄＝π／２｝または｛Δθ₂＝π／２，Δθ₃＝π，Δθ₄＝３π／２｝の４連パルスを光信号受信装置３に再送する。この再送パルスの時間位置は、例えば、盗聴者が時刻ｔ２で光子検出したときには、図８（ｃ）に示すようになる。図８（ｃ）は、パルス光が本来属するフレームにおける位置において、光子が存在しているパルスを実線、光子無しのパルスを破線で示している。伝送パルス列の光子数が微少であるため盗聴者が光子検出するのは散発的であり、そのため再送パルス列は単独の４連パルスとなる。受信者は、図３に示す多段のマッハツェンダー干渉計を備える光信号受信装置３を用いて盗聴者から再送された４連パルス列を受信する。

【0052】

図９は、光信号受信装置３に受信された図８（ｃ）の４連パルス列の時間位置を示す図である。図９によれば、単独４連パルス受信時には、７つの時間スロットで光子が検出され得ることがわかる。このうちの時刻ｔ３は、本来は同一フレーム内の４パルスが重なり合う時間スロットであり、このスロットでの光子検出結果から生成したビットは、鍵ビットとして採用される。ところが、単独４連パルスに対しては、この時間スロットで重なり合うのは３パルスである。また、その相対位相も送信者が送ったものとは異なっている。そのため本来あるべき干渉が起きず、ここでの光子検出結果から受信者が生成したビット値は、確率的に光信号送信装置１００から送信された光パルス列で生成されるビット値とは異なることになる。

【0053】

光信号送信装置１００、光信号受信装置３は、鍵ビット列生成後に、一部のビットをテストビットとして互いに照合する。照合の結果、光信号送信装置１００及び光信号受信装置３は、ビットの不一致率を見積り、秘匿性増強と呼ばれるデータ圧縮技術により、安全な秘密鍵を生成する。

【0054】

以上述べた本実施形態は、位相が０、π／２、π、３π／２のいずれかである微弱パルス列を用いることにより、離れた二者間で安全な秘密鍵を生成する。比較例の構成では、同様の伝送信号を用いて秘密鍵を生成するためには、高コストかつ雑音の大きい光子検出器を４台使用しているのに対し、本実施形態で使用する光子検出器は２台であり、公知技術に比べて低コストかつ低受信雑音である量子鍵配送システムを実現することができる。また、使用する光子検出器の数が少ない本実施形態の量子鍵配送システム、光信号受信装置は、光子検出器におけるダークカウントの発生を低減し、信頼性の高い量子鍵配送システムを実現することができる。

【0055】

なお、以上説明した本実施形態のマッハツェンダー干渉計３１、３２は、前段のマッハツェンダー干渉計３１が遅延時間２Ｔ、後段のマッハツェンダー干渉計３２が遅延時間Ｔとした。ただし、本実施形態は、このような構成に限定されるものでなく、前段のマッハツェンダー干渉計の遅延時間が２Ｔ、後段のマッハツェンダー干渉計の遅延時間がＴであっても上記実施形態と同様に機能する。

【符号の説明】

【0056】

３，３００ 光信号受信装置
３１，３２，３０１，３０２ マッハツェンダー干渉計
１００ 光信号送信装置
１０１ コヒーレントパルス光源
１０２ 位相変調器
１０３ 光減衰器
２００ 分散シフトファイバ
３１１，３１２，３２１，３２２，３１５，３１６，３２５，３２６ ビームスプリッタ
３２３，３２４ 光子検出器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】