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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】P2025148832
(43)【公開日】2025-10-08
(54)【発明の名称】量子鍵配送システム及び量子鍵配送方法
(51)【国際特許分類】
H04L 9/12 20060101AFI20251001BHJP
H04B 10/70 20130101ALN20251001BHJP
【ＦＩ】
H04L9/12
H04B10/70
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024049149
(22)【出願日】2024-03-26
(71)【出願人】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】ＮＴＴ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
【テーマコード（参考）】
5K102
【Ｆターム（参考）】
5K102AB11
5K102AH02
5K102AH27
5K102MH03
5K102MH14
5K102MH21
5K102PB20
5K102PH01
5K102PH31
(57)【要約】
【課題】ビット誤り率を利用せずに盗聴を検知することが可能な量子鍵配送システム及び量子鍵配送方法を提供する。
【解決手段】本発明による量子鍵配送システムでは、送信者システムは、各パルスの位相が０又はπである信号パルスに対し、ランダムにデコイパルスが挿入された伝送信号を受信者システムに送信する伝送信号発生装置と、光子検出された時間スロットに関する第１の信号に基づいて、デコイパルスに関する第２の信号を生成し、第２の信号を受信者システムに送信するデコイパルス情報送信装置とを備え、受信者システムは、遅延時間を与えた伝送信号の位相に応じて光子検出を行う伝送信号検出装置と、第２の信号を受信したことに応答して、信号パルスとデコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率を検証するように構成された、同時光子検出率検証装置とを備える。
【選択図】図３
【解決手段】本発明による量子鍵配送システムでは、送信者システムは、各パルスの位相が０又はπである信号パルスに対し、ランダムにデコイパルスが挿入された伝送信号を受信者システムに送信する伝送信号発生装置と、光子検出された時間スロットに関する第１の信号に基づいて、デコイパルスに関する第２の信号を生成し、第２の信号を受信者システムに送信するデコイパルス情報送信装置とを備え、受信者システムは、遅延時間を与えた伝送信号の位相に応じて光子検出を行う伝送信号検出装置と、第２の信号を受信したことに応答して、信号パルスとデコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率を検証するように構成された、同時光子検出率検証装置とを備える。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
送信者システムと受信者システムとを含む量子鍵配送システムであって、
前記送信者システムは、
各パルスの位相が０又はπである微弱コヒーレントパルス列の信号パルスに対し、ランダムに、位相がπ／２であり、振幅が前記信号パルスの振幅以上であるデコイパルスが挿入された伝送信号を生成し、前記受信者システムに送信する伝送信号発生装置と、
前記受信者システムから送信される、光子検出された時間スロットに関する情報を含む第１の信号に基づいて、デコイパルスに関する情報を含む第２の信号を生成し、前記第２の信号を前記受信者システムに送信するデコイパルス情報送信装置と、
を備え、
前記受信者システムは、
前記送信者システムが送信した前記伝送信号を受信し、前記伝送信号に対して遅延時間を与えた後、前記伝送信号の位相に応じて光子検出を行うように構成された伝送信号検出装置と、
前記第２の信号を受信したことに応答して、前記伝送信号における前記信号パルスと前記デコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率を検証し、前記検証の結果、盗聴が有りと決定された場合、秘密鍵を棄却するように構成された、同時光子検出率検証装置と、
を備える、
量子鍵配送システム。
前記送信者システムは、
各パルスの位相が０又はπである微弱コヒーレントパルス列の信号パルスに対し、ランダムに、位相がπ／２であり、振幅が前記信号パルスの振幅以上であるデコイパルスが挿入された伝送信号を生成し、前記受信者システムに送信する伝送信号発生装置と、
前記受信者システムから送信される、光子検出された時間スロットに関する情報を含む第１の信号に基づいて、デコイパルスに関する情報を含む第２の信号を生成し、前記第２の信号を前記受信者システムに送信するデコイパルス情報送信装置と、
を備え、
前記受信者システムは、
前記送信者システムが送信した前記伝送信号を受信し、前記伝送信号に対して遅延時間を与えた後、前記伝送信号の位相に応じて光子検出を行うように構成された伝送信号検出装置と、
前記第２の信号を受信したことに応答して、前記伝送信号における前記信号パルスと前記デコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率を検証し、前記検証の結果、盗聴が有りと決定された場合、秘密鍵を棄却するように構成された、同時光子検出率検証装置と、
を備える、
量子鍵配送システム。
【請求項2】
前記受信者システムは、前記信号パルス同士の干渉が検出された時間スロットにおける同時光子検出率と、前記信号パルスと前記デコイパルスの干渉が検出された時間スロットにおける同時光子検出率とを比較する同時光子検出率比較装置をさらに備える、請求項１に記載の量子鍵配送システム。
【請求項3】
量子鍵配送方法であって、
送信者システムから、各パルスの位相が０又はπである微弱コヒーレントパルス列の信号パルスに対し、ランダムに、位相がπ／２であり、振幅が前記信号パルスの振幅以上であるデコイパルスが挿入された伝送信号を受信者システムに送信することと、
前記伝送信号を受信したことに応答して、前記受信者システムから、光子を検出した時間スロットに関する情報を含む第１の信号を生成し、前記送信者システムに送信することと、
前記第１の信号に基づいて、前記送信者システムにより、送信者側のビット値又はデコイパルスに関する情報を含む第２の信号を生成することであって、
前記光子の検出を起こした２パルスの位相差が０であればビット「０」を生成し、
前記光子の検出を起こした２パルスの位相差がπであればビット「１」を生成し、
前記２パルスの位相差が±π／２であれば、前記第２の信号を生成し、前記第２の信号を前記受信者システムに送信する、
ことを含むことと、
前記受信者システムにより、受信者側のビット値を生成することであって、
前記光子を検出した検出器が第１の光子検出器であればビット「０」を生成し、
前記光子を検出した検出器が第２の光子検出器であればビット「１」を生成し、
検出された前記伝送信号における２パルスの位相差が±π／２である光子検出からはビット値を生成しない、
ことを含むことと、
前記第２の信号を受信したことに応答して、前記受信者システムにより、前記伝送信号における前記信号パルスと前記デコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率を検証することと、
前記信号パルスと前記デコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率の検証結果に基づいて、前記受信者システムにより、盗聴の有無を決定し、前記盗聴が有りと決定された場合、秘密鍵を棄却することと、
を備える、量子鍵配送方法。
送信者システムから、各パルスの位相が０又はπである微弱コヒーレントパルス列の信号パルスに対し、ランダムに、位相がπ／２であり、振幅が前記信号パルスの振幅以上であるデコイパルスが挿入された伝送信号を受信者システムに送信することと、
前記伝送信号を受信したことに応答して、前記受信者システムから、光子を検出した時間スロットに関する情報を含む第１の信号を生成し、前記送信者システムに送信することと、
前記第１の信号に基づいて、前記送信者システムにより、送信者側のビット値又はデコイパルスに関する情報を含む第２の信号を生成することであって、
前記光子の検出を起こした２パルスの位相差が０であればビット「０」を生成し、
前記光子の検出を起こした２パルスの位相差がπであればビット「１」を生成し、
前記２パルスの位相差が±π／２であれば、前記第２の信号を生成し、前記第２の信号を前記受信者システムに送信する、
ことを含むことと、
前記受信者システムにより、受信者側のビット値を生成することであって、
前記光子を検出した検出器が第１の光子検出器であればビット「０」を生成し、
前記光子を検出した検出器が第２の光子検出器であればビット「１」を生成し、
検出された前記伝送信号における２パルスの位相差が±π／２である光子検出からはビット値を生成しない、
ことを含むことと、
前記第２の信号を受信したことに応答して、前記受信者システムにより、前記伝送信号における前記信号パルスと前記デコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率を検証することと、
前記信号パルスと前記デコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率の検証結果に基づいて、前記受信者システムにより、盗聴の有無を決定し、前記盗聴が有りと決定された場合、秘密鍵を棄却することと、
を備える、量子鍵配送方法。
【請求項4】
前記信号パルス同士の干渉が検出された時間スロットにおける同時光子検出率と前記信号パルスと前記デコイパルスの干渉が検出された時間スロットにおける同時光子検出率とを比較することをさらに備える、請求項３に記載の量子鍵配送方法。
【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及び量子鍵配送方法に関し、より詳細には、差動位相シフト方式の量子鍵配送システム及び量子鍵配送方法に関する。
【背景技術】
【0002】
暗号通信を行う２者に対し、通信データを暗号化／復号化するための共通秘密鍵を安全に供給するシステムとして、量子暗号又は量子鍵配送（Quantum Key Distribution：以下、ＱＫＤという）に関する研究開発が進められている。ＱＫＤシステムとしてはいくつかの方式が知られているが、そのうちの１つに、差動位相シフト（Differential Phase Shift:以下、ＤＰＳという）と呼ばれる方式がある（例えば、非特許文献１参照）。
【0003】
図１は、従来技術によるＤＰＳ方式のＱＫＤシステム１００の概略的な構成を示す図である。図１に示される通り、従来技術によるＱＫＤシステム１００は、伝送信号を送信する送信者システム１１０と、伝送信号を受信する受信者システム１２０を含む。さらに、送信者システム１１０は、コヒーレントパルス光源１１１と、位相変調器１１２と、減衰器１１３とを含み、受信者システム１２０は、遅延マッハツェンダー干渉計１２１と、第１の光子検出器１２２ａと、第２の光子検出器１２２ｂとを含む。
【0004】
位相変調器１１２は、コヒーレントパルス光源１１１から出力されたコヒーレントパルス列の伝送信号に対し、各パルスの位相が０又はπとなるように位相変調する。減衰器１１３は、各パルスの平均光子数が１パルスあたり１未満となるように、伝送信号を減衰させる。
【0005】
遅延マッハツェンダー干渉計１２１は、受信した伝送信号のパルス列のパルス時間間隔と等しい遅延時間を伝送信号に付与する。また、遅延マッハツェンダー干渉計１２１は、この遅延による伝搬位相差が２πの整数倍となるように構成される。第１の光子検出器１２２ａ、及び第２の光子検出器１２２ｂの各々は、遅延マッハツェンダー干渉計１２１から出力された伝送信号に対し、光子検出を行う。また、第１の光子検出器１２２ａ、及び第２の光子検出器１２２ｂの各々は、光子検出が起こった場合、その時間スロットにおける時間に関する情報を含む信号を生成し、送信者システム１１０へ送信するように構成される。
【0006】
このような構成を有するＱＫＤシステム１００では、送信者システム１１０から、各パルスの位相が０又はπである微弱コヒーレントパルス列が伝送信号として送信される。この伝送信号を受信者システム１２０が受信すると、遅延マッハツェンダー干渉計１２１により、伝送信号において隣接した２パルスが重なり合う。この干渉の結果、当該２パルスの位相差が０である場合、伝送信号は、第１の光子検出器１２２ａで光子検出され、位相差がπである場合、伝送信号は、第２の光子検出器１２２ｂで光子検出される。但し、伝送信号は、上述の通り、そもそも微弱パルス列であるため、第１の光子検出器１２２ａ又は第２の光子検出器１２２ｂにおいて光子が検出されることは稀であり、且つランダムである。
【0007】
図２は、従来技術によるＤＰＳ方式のＱＫＤシステム１００を用いたＱＫＤ方法２００を示すフローチャートである。図２に示される通り、従来技術によるＱＫＤ方法２００は、送信者システム１１０により、各パルスの位相が０又はπである微弱コヒーレントパルス列の伝送信号を生成し、受信者システム１２０に送信することＳ２０１と、伝送信号を受信したことに応答して、受信者システム１２０により、光子が検出された時間スロットに関する情報を含む信号（当該信号は、光子が検出された時間に関する情報を含む）を生成し、送信者システム１１０に送信することＳ２０２と、当該光子が検出された時間スロットに関する情報を含む信号に基づいて、送信者システム１１０により、送信者システム１１０側のビット値として、光子検出を起こした２パルスの位相差が０であればビット「０」を、πであればビット「１」を生成することＳ２０３と、受信者システム１２０により、受信者システム１２０側のビット値として、光子を検出した検出器が第１の光子検出器１２２ａであればビット「０」を、第２の光子検出器１２２ｂであればビット「１」を生成することＳ２０４と、を含む。このようにして生成されたビット値は、送信者システム１１０側と受信者システム１２０側との間で一致し、これが秘密鍵ビットとなる。
【0008】
ＱＫＤ方法２００により共有された秘密鍵ビットの安全性は、伝送信号が微弱コヒーレントパルス列であることにより保障される。例えば、盗聴者が、秘密鍵ビットに関する情報を得るために、伝送信号の一部を抜き取って伝送信号のパルス間の位相差を測定しようとする場合を想定する。このような場合、ＱＫＤシステム１００では伝送信号の平均光子数が微少であるため、盗聴者は、全ての位相差を知ることはできず、一部の位相差しか知ることしかできない。ここで、盗聴者が位相差を知り得た２パルスは、受信者システム１２０が光子検出により秘密鍵ビットを生成した２パルスと同じであるとは限らないため、この測定から全ての秘密鍵ビットを知ることはできない。たまたま、盗聴者の測定パルスと受信者システム１２０の光子検出パルスが一致する場合もあり得るが、その確率はコヒーレント光の光子数統計から定量的に見積もることができ、その分を秘匿性増強と呼ばれるデータ圧縮技術により削除すれば、十分に安全な秘密鍵とすることが可能となる。
【0009】
また、他の盗聴法として、インターセプト・リセンド攻撃と呼ばれる手法があり、これは、盗聴者が伝送路に割り込んで伝送信号を測定し、その測定結果に基づいて偽装信号を受信者システム１２０に再送する盗聴法である。このインターセプト・リセンド攻撃を実行した盗聴者が、仮に、受信者システム１２０の受信結果が無盗聴時と変わらないような偽装信号を再送することができれば、盗聴に気付かれることはなく秘密鍵ビットの情報を得ることは可能である。
【0010】
しかしながら、微弱コヒーレントパルス列については、このような偽装信号を再送することはできず、上述のように、盗聴者が測定結果を得るのは稀である。したがって、盗聴者が受信者システム１２０に再送する偽装信号は、測定された位相差を有する２パルスとなる。このような信号が受信者システム１２０の遅延マッハツェンダー干渉計１２１に入力されると、遅延マッハツェンダー干渉計１２１の出力では、３つの時間スロットで光子が検出され得る。すなわち、第１パルスが短経路を経て出力される時間スロット、長経路を経た第１パルスと短経路を経た第２パルスが出力される時間スロット、第２パルスが長経路を経て出力される時間スロット、の３つである。このうち、両端スロットでの光子検出は、干渉相手がいないため、２つの検出器（第１の光子検出器１２２ａ、又は第２の光子検出器１２２ｂ）でランダムに光子検出される。すると、この光子検出事象から受信者システム１２０が生成するビット値は、送信者システム１１０が生成するビット値と異なるものとなる。
【0011】
そこで、ＱＫＤシステム１００を用いたＱＫＤ方法２００は、秘密鍵ビットの生成後、送信者システム１１０及び受信者システム１２０は、その一部をテストビットとして照合し、ビット値の不一致（ビット誤り）があれば、盗聴がなされたものと判断することをさらに含み得る。この盗聴により発生するビット誤り率は定量的に見積もることができる。逆に言うと、ビット誤り率から盗聴が行われた確率を定量的に見積もることができる。そこで、テストビットに用いたビットを棄却したうえ、秘匿性増強により、盗聴されたであろう情報量を生成した秘密鍵から削除する。これにより、最終的に安全な秘密鍵とすることができる。
【0012】
但し、実際には、光子検出器（第１の光子検出器１２２ａ、及び第２の光子検出器１２２ｂ）の雑音など、盗聴以外の要因によるビット誤りが生じ得るため、最悪状態を想定し、ビット誤りは全て盗聴に起因するものと見做して秘匿性増強が行われる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0013】
【非特許文献1】K. Inoue, E. Waks, and Y. Yamamoto, “Differential phase shift quantum key distribution using coherent light”, Physical Review A, vol. 68, 022317, (2003)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
上述した従来技術によるＱＫＤシステム１００及びＱＫＤ方法２００では、生成した秘密鍵ビットのビット誤り率から盗聴量を見積り、その分を秘匿性増強により削除して安全な秘密鍵を共有する。そして、このような従来技術では、秘匿性増強にあたり、システムに含まれる本来のビット誤り率も盗聴によるものと見做して、秘密鍵ビットの削減を行う。そのため、ビット誤り率が高いシステムでは、秘匿性増強による削減量が多くなり、実効的な秘密鍵生成効率が悪くなるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明は、上記のような課題に対して鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ビット誤り率を利用せずに盗聴を検知することが可能なＱＫＤシステム及びＱＫＤ方法を提供することである。
【0016】
このような目的を達成するため、本発明では、量子鍵配送システムであって、送信者システムは、各パルスの位相が０又はπである微弱コヒーレントパルス列の信号パルスに対し、ランダムに、位相がπ／２であり、振幅が信号パルスの振幅以上であるデコイパルスが挿入された伝送信号を生成し、受信者システムに送信する伝送信号発生装置と、受信者システムから送信される、光子検出された時間スロットに関する情報を含む第１の信号に基づいて、デコイパルスに関する情報を含む第２の信号を生成し、第２の信号を受信者システムに送信するデコイパルス情報送信装置と、を備え、受信者システムは、送信者システムが送信した伝送信号を受信し、伝送信号に対して遅延時間を与えた後、伝送信号の位相に応じて光子検出を行うように構成された伝送信号検出装置と、第２の信号を受信したことに応答して、伝送信号における信号パルスとデコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率を検証し、前記検証の結果、盗聴が有りと決定された場合、秘密鍵を棄却するように構成された、同時光子検出率検証装置と、を備える、量子鍵配送システムを提供する。
【発明の効果】
【0017】
本発明によるＱＫＤシステム及びＱＫＤ方法によれば、従来技術においてビット誤り率により盗聴を検知していたところを、同時光子検出事象から盗聴検知することが可能となる。このため、システムに本来含まれるビット誤り率を盗聴によるものと見做して秘密鍵を縮小する必要がなく、従来技術よりも高い実効的な秘密鍵生成効率を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】従来技術によるＤＰＳ方式のＱＫＤシステム１００の概略的な構成を示す図である。
【図2】従来技術によるＤＰＳ方式のＱＫＤシステム１００を用いたＱＫＤ方法２００を示すフローチャートである。
【図3】本発明によるＱＫＤシステム３００の概略的な構成を示す図である。
【図4】本発明によるＱＫＤシステム３００を用いて実行されるＱＫＤ方法４００を示すフローチャートである。
【図5】本発明によるＱＫＤシステム５００の概略的な構成を示す図である。
【図6】本発明によるＱＫＤシステム３００を用いて実行されるＱＫＤ方法６００を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下に、図面を参照しながら本開示の種々の実施形態について詳細に説明する。同一又は類似の参照符号は同一又は類似の要素を示し重複する説明を省略する場合がある。数値は例示を目的としており本開示の技術的範囲の限定を意図していない。以下の説明は、一例であって本発明の一実施形態の要旨を逸脱しない限り、一部の構成を省略若しくは変形し、又は追加の構成とともに実施することができる。
【0020】
（ＱＫＤシステムの構成）
図３は、本発明によるＱＫＤシステム３００の概略的な構成を示す図である。図３に示される通り、本発明によるＱＫＤシステム３００は、送信者システム３１０と、受信者システム３２０とを含む。送信者システム３１０は、各パルスの位相差が０又はπである微弱コヒーレントパルス列の信号パルスに対し、ランダムなデコイパルスが挿入された伝送信号を生成し、受信者システム３２０に送信する伝送信号発生装置３１１と、受信者システム３２０から送信される光子が検出された時間スロットに関する情報を含む第１の信号に基づいて、デコイパルスに関する情報を含む第２の信号３３０を生成し、当該第２の信号３３０を受信者システム３２０に送信するデコイパルス情報送信装置３１２と、を含む。一方、受信者システム３２０は、送信者システム３１０が送信した伝送信号を受信し、当該伝送信号に対して遅延時間を与えた後、伝送信号の位相に応じて光子検出を行うように構成された伝送信号検出装置３２１と、上述したデコイパルスに関する情報を含む第２の信号３３０を受信したことに応答して、伝送信号における信号パルスとデコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率を検証し、当該検証の結果、盗聴が有りと決定された場合、秘密鍵を棄却するように構成された、同時光子検出率検証装置３２２と、を含む。
図３は、本発明によるＱＫＤシステム３００の概略的な構成を示す図である。図３に示される通り、本発明によるＱＫＤシステム３００は、送信者システム３１０と、受信者システム３２０とを含む。送信者システム３１０は、各パルスの位相差が０又はπである微弱コヒーレントパルス列の信号パルスに対し、ランダムなデコイパルスが挿入された伝送信号を生成し、受信者システム３２０に送信する伝送信号発生装置３１１と、受信者システム３２０から送信される光子が検出された時間スロットに関する情報を含む第１の信号に基づいて、デコイパルスに関する情報を含む第２の信号３３０を生成し、当該第２の信号３３０を受信者システム３２０に送信するデコイパルス情報送信装置３１２と、を含む。一方、受信者システム３２０は、送信者システム３１０が送信した伝送信号を受信し、当該伝送信号に対して遅延時間を与えた後、伝送信号の位相に応じて光子検出を行うように構成された伝送信号検出装置３２１と、上述したデコイパルスに関する情報を含む第２の信号３３０を受信したことに応答して、伝送信号における信号パルスとデコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率を検証し、当該検証の結果、盗聴が有りと決定された場合、秘密鍵を棄却するように構成された、同時光子検出率検証装置３２２と、を含む。
【0021】
上記の構成において、伝送信号発生装置３１１は、図１に示される送信者システム１１０と同様の構成であり得る。但し、上述した通り、伝送信号発生装置３１１が生成・送出する伝送信号は、各パルスの位相が０又はπである微弱コヒーレントパルス列の信号パルスに対し、ランダムなデコイパルスが挿入された信号である。一方、伝送信号検出装置３２１は、図１に示される受信者システム１２０と同様の構成であり得る。換言すれば、本発明によるＱＫＤシステム３００は、微弱コヒーレントパルス列に対し、ランダムなデコイパルスが挿入された伝送信号を生成するように構成された送信者システム１１０にデコイパルス情報送信装置３１２が追加的に設置された送信者システム３１０と、受信者システム１２０に同時光子検出率検証装置３２２が追加的に設置された受信者システム３２０とを含む。
【0022】
（ＱＫＤ方法）
図４は、本発明によるＱＫＤシステム３００を用いて実行されるＱＫＤ方法４００を示すフローチャートである。図４に示される通り本発明によるＱＫＤ方法４００は、送信者システム３１０により、各パルスの位相が０又はπである微弱コヒーレントパルス列の信号パルスに対し、ランダムにデコイパルスを挿入した伝送信号を生成し、受信者システム１２０に送信することＳ４０１と、伝送信号を受信したことに応答して、受信者システム３２０により、光子を検出した時間スロットに関する情報を含む第１の信号を生成し、送信者システム３１０に送信することＳ４０２と、第１の信号に基づいて、送信者システム３１０により、光子検出を起こした２パルスの位相差が０であればビット「０」を、πであればビット「１」を送信者システム３１０側のビット値として生成し、光子検出を起こした２パルスの位相差が±π／２であれば（即ち、光子検出された伝送信号が信号パルスとデコイパルスが重なり合った干渉波であれば）、その旨を知らせるため、デコイパルスに関する情報を含む第２の信号３３０を生成して受信者システム３２０に送信することＳ４０３と、受信者システム３２０により、受信者システム３２０側のビット値として、光子を検出した検出器が第１の光子検出器１２２ａであればビット「０」を、第２の光子検出器１２２ｂであればビット「１」を生成し、検出された伝送信号における２パルスの位相差が±π／２である光子検出からはビット値を生成しないことＳ４０４と、第２の信号３３０を受信したことに応答して、受信者システム３２０により、伝送信号における信号パルスとデコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率（第１の光子検出器１２２ａ及び第２の光子検出器１２２ｂの両方において光子検出がされる確率）を検証することＳ４０５と、同時光子検出率の検証結果に基づいて、受信者システム３２０により、盗聴の有無を決定し、盗聴が有りと決定された場合、秘密鍵を棄却することＳ４０６と、を含む。
図４は、本発明によるＱＫＤシステム３００を用いて実行されるＱＫＤ方法４００を示すフローチャートである。図４に示される通り本発明によるＱＫＤ方法４００は、送信者システム３１０により、各パルスの位相が０又はπである微弱コヒーレントパルス列の信号パルスに対し、ランダムにデコイパルスを挿入した伝送信号を生成し、受信者システム１２０に送信することＳ４０１と、伝送信号を受信したことに応答して、受信者システム３２０により、光子を検出した時間スロットに関する情報を含む第１の信号を生成し、送信者システム３１０に送信することＳ４０２と、第１の信号に基づいて、送信者システム３１０により、光子検出を起こした２パルスの位相差が０であればビット「０」を、πであればビット「１」を送信者システム３１０側のビット値として生成し、光子検出を起こした２パルスの位相差が±π／２であれば（即ち、光子検出された伝送信号が信号パルスとデコイパルスが重なり合った干渉波であれば）、その旨を知らせるため、デコイパルスに関する情報を含む第２の信号３３０を生成して受信者システム３２０に送信することＳ４０３と、受信者システム３２０により、受信者システム３２０側のビット値として、光子を検出した検出器が第１の光子検出器１２２ａであればビット「０」を、第２の光子検出器１２２ｂであればビット「１」を生成し、検出された伝送信号における２パルスの位相差が±π／２である光子検出からはビット値を生成しないことＳ４０４と、第２の信号３３０を受信したことに応答して、受信者システム３２０により、伝送信号における信号パルスとデコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率（第１の光子検出器１２２ａ及び第２の光子検出器１２２ｂの両方において光子検出がされる確率）を検証することＳ４０５と、同時光子検出率の検証結果に基づいて、受信者システム３２０により、盗聴の有無を決定し、盗聴が有りと決定された場合、秘密鍵を棄却することＳ４０６と、を含む。
【0023】
Ｓ４０１において、送信者システム３１０は、位相が０又はπの微弱コヒーレント信号パルス列の信号パルスにランダムにデコイパルスを挿入した伝送信号を受信者システム３２０に送信する。このデコイパルスの位相はπ／２、振幅は信号パルスの振幅以上であり、挿入位置は外部には分からないものとする。
【0024】
このような伝送信号が受信者システム３２０で受信されると、受信者システム３２０における遅延マッハツェンダー干渉計１２１によって遅延時間が付与された伝送信号が出力される。ここで、信号パルスとデコイパルスが重なり合った場合、受信者システム３２０における各検出器（第１の光子検出器１２２ａ、又は第２の光子検出器１２２ｂの各々に相当）で光子検出される確率は、（μs＋μd）／４となる。但し、μs及びμdは、それぞれ、受信者システム３２０に入力された伝送信号における信号パルス及びデコイパルスの平均光子数である。本発明によるＱＫＤ方法４００では、この伝送信号の光子検出特性を利用して、盗聴を検知する。
【0025】
Ｓ４０２では、受信者システム３２０が伝送信号を受信した後、受信者システム３２０が、光子を検出した時間スロットに関する情報を含む第１の信号を生成し、送信者システム３１０に送信する。当該第１の信号は、光子検出が起こった際、その時間スロットにおける時間に関する情報を含む。これは、従来技術によるＱＫＤ方法２００のＳ２０２と同様である。
【0026】
Ｓ４０３では、送信者システム３１０は、受信した第１の信号に基づいて、光子検出を起こした２パルスの位相差が０であればビット「０」を、πであればビット「１」を送信者システム３１０側のビット値として生成する。さらに、Ｓ４０３では、送信者システム３１０は、当該２パルスの位相差が±π／２であれば、デコイパルスに関する情報を含む第２の信号３３０を受信者システム３２０に送信する。この第２の信号３３０を受信者システム３２０に送信することを含む点で、本発明によるＱＫＤシステムは、従来技術によるＱＫＤシステムとは相違する。
【0027】
Ｓ４０４では、受信者システム３２０は、受信者システム３２０側のビット値を生成する。このとき、受信者システム３２０は、光子を検出した検出器が第１の光子検出器１２２ａであればビット「０」を、第２の光子検出器１２２ｂであればビット「１」を生成する。但し、受信者システム３２０は、検出された伝送信号における２パルスの位相差が±π／２の光子検出からはビット値を生成しないように構成されている。
【0028】
Ｓ４０５では、送信者システム３１０から送信されたデコイパルスに関する情報を含む第２の信号３３０を受信したことに応答して、受信者システム３２０は、信号パルスとデコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率を検証する。ここで、同時光子検出率とは、任意の時間スロット（例えば、信号パルスとデコイパルスが干渉する時間スロット、信号パルス動詞が干渉する時間スロット等）において、第１の光子検出器１２２ａ、及び、第２の光子検出器１２２ｂの両方で光子検出が行われた確率をいう。
【0029】
Ｓ４０６では、受信者システム３２０が当該同時光子検出率の検証結果に基づいて、盗聴の有無を決定し、盗聴が有りと決定された場合、受信者システム３２０は秘密鍵を棄却する。盗聴の有無を決定する方法としては、例えば、信号パルスとデコイパルスが干渉する時間スロットにおける同時光子検出率が、上述した（μs＋μd）／４×（μs＋μd）／４で得られる確率に基づいて決定された所定の値より小さければ、盗聴有りと決定することが挙げられる。
【0030】
（盗聴検知の原理）
このようなＱＫＤシステム３００及びＱＫＤ方法４００による盗聴検知の原理について、以下に詳細を述べる。以下の説明では、例として、盗聴法は上述したインターセプト・リセンド攻撃であるものとする。
このようなＱＫＤシステム３００及びＱＫＤ方法４００による盗聴検知の原理について、以下に詳細を述べる。以下の説明では、例として、盗聴法は上述したインターセプト・リセンド攻撃であるものとする。
【0031】
上述した通り、インターセプト・リセンド攻撃では、盗聴者は、伝送路に割り込み、受信者と同じ受信系を用いて伝送信号を測定する。ここで、本発明によるＱＫＤシステム３００及びＱＫＤ方法４００を用いた場合、信号パルスとデコイパルスが干渉した時の各検出器の光子検出確率は（μs＋μd）／４となる。したがって、第１の光子検出器１２２ａのみが光子検出する確率は（μs＋μd）／４×｛１－（μs＋μd）／４｝、第２の光子検出器１２２ｂのみが光子検出する確率は｛１－（μs＋μd）／４｝×（μs＋μd）／４、第１の光子検出器１２２ａ及び第２の光子検出器１２２ｂの両方が光子検出する確率は（μs＋μd）／４×（μs＋μd）／４となる。但し、上述の通り、受信者システム３２０が受信する伝送信号は、そもそも、微弱コヒーレント光パルスであるため、多くの場合、第１の光子検出器１２２ａ又は第２の光子検出器１２２ｂの一方のみで光子検出されることになる。
【0032】
第１の光子検出器１２２ａ又は第２の光子検出器１２２ｂの一方のみで光子検出された場合、盗聴者には、それがデコイパルスと信号パルスの干渉によるものなのか、信号パルス同士の干渉によるものか、区別できない。すると盗聴者は、伝送信号の多くは信号パルスであり、当該信号パルス同士の干渉と見做して、光子検出した検出器にしたがって位相差が０又はπの２パルスを偽装信号として受信者システム３２０に再送する。
【0033】
再送された偽装信号を受信者システム３２０が受信すると、当該偽装信号は位相差が０又はπの２パルスであるため、第１の光子検出器１２２ａ又は第２の光子検出器１２２ｂの一方のみで光子検出されることになる。一方、無盗聴時には、信号パルスとデコイパルスが干渉するはずであるため、第１の光子検出器１２２ａ及び第２の光子検出器１２２ｂの検出器の両方で光子検出が生じることがあり得る。そして、その両方で光子検出が生じる確率は、上述の通り、（μs＋μd）／４×（μs＋μd）／４となる。そこで、受信者システム３２０が、送信者システム３１０から送信される第２の信号３３０を受信したことに応答して、信号パルスとデコイパルスが干渉する時間スロットにおいて、第１の光子検出器１２２ａ及び第２の光子検出器１２２ｂの検出器の両方で光子検出が生じた確率（同時光子検出率）を検証することにより、盗聴の有無を決定することが可能となる。
【0034】
受信者システム３２０は、ＱＫＤ方法４００のＳ４０６に示される通り、盗聴の有無を決定に基づいて、秘密鍵を棄却するかどうかを決定する。盗聴が有りと決定された（例えば、同時光子検出率が所定の値より小さい）場合、秘密鍵を棄却することを決定する。このようにして、最終的に安全な秘密鍵を配送することが可能となる。
【0035】
以上述べた通り、本発明によるＱＫＤシステム３００及びＱＫＤ方法４００は、従来技術によるＱＫＤシステム１００及びＱＫＤ方法２００がビット誤り率により盗聴を検知していたところを、同時光子検出事象から盗聴検知することができる。したがって、システムに本来備わっているビット誤り率を盗聴によるものと見做して秘密鍵を縮小する必要がないという効果が奏される。
【0036】
（追加のコンポーネント）
但し、実際の光子検出器（第１の光子検出器１２２ａ及び第２の光子検出器１２２ｂ）は、光子が入力されていないにもかかわらず光子検出信号を出力する、ダークカウントと呼ばれる誤動作を起こすことがある。そのため、位相差０／πの再送された伝送信号を受信した場合でも、ダークカウントのため同時検出として記録されることがあり、このことが盗聴検知の妨げとなり得る。
但し、実際の光子検出器（第１の光子検出器１２２ａ及び第２の光子検出器１２２ｂ）は、光子が入力されていないにもかかわらず光子検出信号を出力する、ダークカウントと呼ばれる誤動作を起こすことがある。そのため、位相差０／πの再送された伝送信号を受信した場合でも、ダークカウントのため同時検出として記録されることがあり、このことが盗聴検知の妨げとなり得る。
【0037】
そこで、本発明によるＱＫＤシステムの受信者システムは、図５に示されるＱＫＤシステム５００のように、受信者システム５２０が信号パルス同士の干渉スロットにおける同時光子検出率と信号パルスとデコイパルスの干渉スロットにおける同時光子検出率とを比較する、同時光子検出率比較装置５０１をさらに含んでよい。加えて、本発明によるＱＫＤ方法は、図６に示されるＱＫＤ方法６００の様に、信号パルス同士の干渉スロットにおける同時光子検出率と信号パルスとデコイパルスの干渉スロットにおける同時光子検出率とを比較することＳ４０７をさらに含んでよい。ダークカウントによる同時光子検出は、信号パルス同士の干渉スロットでも同様に起こるため、このように両者の差分をみれば、盗聴の有無を精度よく検知することが可能となる。
【0038】
尚、本発明によるＱＫＤ方法４００、６００は、本明細書及び図４、６に示される通りの順番で行われる必要はなく、任意の順番で実行されてよく、或いは、一部の手順が並行で実行されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0039】
以上述べた通り、本発明による量子鍵配送システム及び量子鍵配送方法は、同時光子検出事象から盗聴検知することができるため、システムに本来備わっているビット誤り率を盗聴によるものと見做して秘密鍵を縮小する必要がないという、従来技術に無い効果を奏する。このような量子鍵配送システム及び量子鍵配送方法は、暗号通信を行う２者に対し、通信データを暗号化／復号化するための共通秘密鍵をより安全に供給するシステムとして、実用化が見込まれる。
【符号の説明】
【0040】
１００ ＱＫＤシステム
１１０ 送信者システム
１１１ コヒーレントパルス光源
１１２ 位相変調器
１１３ 減衰器
１２０ 受信者システム
１２１ 遅延マッハツェンダー干渉計
１２２ａ 第１の光子検出器
１２２ｂ 第２の光子検出器
２００ ＱＫＤ方法
３００ ＱＫＤシステム
３１０ 送信者システム
３１１ 伝送信号発生装置
３１２ デコイパルス情報送信装置
３２０ 受信者システム
３２１ 伝送信号検出装置
３２２ 同時光子検出率検証装置
３３０ 第２の信号
４００ ＱＫＤ方法
５００ ＱＫＤシステム
５０１ 同時光子検出率比較装置
５２０ 受信者システム
６００ ＱＫＤ方法
１１０ 送信者システム
１１１ コヒーレントパルス光源
１１２ 位相変調器
１１３ 減衰器
１２０ 受信者システム
１２１ 遅延マッハツェンダー干渉計
１２２ａ 第１の光子検出器
１２２ｂ 第２の光子検出器
２００ ＱＫＤ方法
３００ ＱＫＤシステム
３１０ 送信者システム
３１１ 伝送信号発生装置
３１２ デコイパルス情報送信装置
３２０ 受信者システム
３２１ 伝送信号検出装置
３２２ 同時光子検出率検証装置
３３０ 第２の信号
４００ ＱＫＤ方法
５００ ＱＫＤシステム
５０１ 同時光子検出率比較装置
５２０ 受信者システム
６００ ＱＫＤ方法
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】