特許 7486168 飛翔体を介した安全な２地点間での暗号鍵共有システムおよび暗号鍵共有方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-09

(45)【発行日】2024-05-17

(54)【発明の名称】飛翔体を介した安全な２地点間での暗号鍵共有システムおよび暗号鍵共有方法

(51)【国際特許分類】

   H04L 9/08 20060101AFI20240510BHJP

   G06F 21/60 20130101ALI20240510BHJP

   H04B 10/11 20130101ALN20240510BHJP

【ＦＩ】

H04L9/08 A

H04L9/08 E

G06F21/60 320

H04B10/11

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020107021

(22)【出願日】2020-06-22

(65)【公開番号】P2022002379

(43)【公開日】2022-01-06

【審査請求日】2023-05-12

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和元年度、総務省、情報通信技術の研究開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】301022471

【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100120868

【弁理士】

【氏名又は名称】安彦 元

(72)【発明者】

【氏名】藤原 幹生

(72)【発明者】

【氏名】武岡 正裕

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 雅英

【審査官】行田 悦資

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－２２０７６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１２８６５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－０６４３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】四方 順司，暗号世代交代と社会的インパクト，電子情報通信学会誌 第９４巻 第１１号，日本，社団法人電子情報通信学会，2011年11月01日，第94巻, 第11号，pp.999-1003

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｌ ９／０８

Ｇ０６Ｆ ２１／６０

Ｈ０４Ｂ １０／１１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

飛翔体を介した安全な２地点間での暗号鍵共有システムであって、
第１の乱数と第２の乱数とを含み、暗号鍵の生成に用いる鍵情報を生成する鍵情報生成手段と、
前記第１の乱数を記憶する第１の記憶手段と、
前記第１の乱数を複数の基地局に送信する第１の送信手段と、
前記第１の記憶手段によって記憶された前記第１の乱数を削除するとともに、前記第２の乱数を記憶する第２の記憶手段と、
前記第２の記憶手段が前記第２の乱数を記憶した後に、前記第２の乱数を複数の前記基地局に送信する第２の送信手段と、
前記第１の乱数及び前記第２の乱数を含む前記鍵情報に基づいて、複数の前記基地局間で共有する前記暗号鍵を生成する暗号鍵生成手段とを備えること
を特徴とする暗号鍵共有システム。

【請求項2】

前記第１の送信手段又は前記第２の送信手段は、前記第１の乱数又は前記第２の乱数を光・無線通信路経由で前記飛翔体から前記基地局に送信することを含むこと
を特徴とする請求項１記載の暗号鍵共有システム。

【請求項3】

前記鍵情報生成手段は、前記飛翔体に設けられ、前記第１の送信手段が前記第１の乱数を複数の前記基地局に送信した後に、前記第２の乱数を含む鍵情報を生成することを含むこと
を特徴とする請求項１又は２記載の暗号鍵共有システム。

【請求項4】

前記鍵情報生成手段は、前記複数の基地局のうちの第１の基地局に設けられ、
前記第１の基地局は、前記鍵情報を前記飛翔体に配信する配信手段を備えること
を特徴とする請求項１又は２記載の暗号鍵共有システム。

【請求項5】

前記暗号鍵生成手段は、鍵蒸留処理により受信した前記鍵情報のビット列を短くすることを含むこと
を特徴とする請求項１～４のうち何れか１項記載の暗号鍵共有システム。

【請求項6】

飛翔体を介した安全な２地点間での暗号鍵共有方法であって、
前記飛翔体が第１の乱数と第２の乱数とを含み、暗号鍵の生成に用いる鍵情報を生成する鍵情報生成ステップと、
前記飛翔体が前記第１の乱数を記憶する第１の記憶ステップと、
前記飛翔体が前記第１の乱数を複数の基地局に送信する第１の送信ステップと、
前記飛翔体が前記第１の記憶ステップにおいて記憶された前記第１の乱数を削除するとともに、前記第２の乱数を記憶する第２の記憶ステップと、
前記飛翔体が前記第２の記憶ステップで前記第２の乱数を記憶した後に、前記第２の乱数を複数の前記基地局に送信する第２の送信ステップと、
前記第１の送信ステップ及び前記第２の送信ステップにより前記第１の乱数及び前記第２の乱数を受信した前記基地局が前記第１の乱数及び前記第２の乱数を含む前記鍵情報に基づいて、複数の前記基地局間で共有する前記暗号鍵を生成する暗号鍵生成ステップとを有すること
を特徴とする暗号鍵共有方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、飛翔体に鍵情報を残すことなく地上２地点間で安全に暗号鍵の共有を可能にする暗号鍵共有システムおよび暗号鍵共有方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、離れた複数の基地局間での信頼できる通信技術が求められている。このような信頼性の高い技術の１つに量子鍵配送がある。量子鍵配送とは、光の量子力学的な性質を用いることにより、複数の基地局間で暗号鍵を共有する技術である。一例としては、例えば１２０００ｋｍ離れた複数の基地局間同士での暗号鍵の配送に成功したという事例も存在する。

【0003】

また、衛星を介した複数の基地局間での量子鍵配送技術も知られている。非特許文献１には、衛星を介して複数の基地局間で暗号鍵が配送される技術が開示されている。具体的には、地上網の量子鍵配送ネットワークでも使用されているように、信頼できる局舎（trusted node）を仮定した鍵のリレーが行われている。衛星量子暗号の場合も衛星が信頼できる局舎になることが期待されている。地上の信頼できる局舎では、仮にサイバー攻撃されて汚染されたとしても迅速な復旧が可能であるが、衛星の場合には人による確認が極めて困難である。

【0004】

また、特許文献１には、正規受信者装置と、光空間通信及びＲＦ帯通信の暗号鍵を生成し、光空間通信及びＲＦ帯通信により正規受信者装置に配信する送信者装置との間で暗号鍵の共有を行い、正規受信者装置で選別された暗号鍵に関する情報を受信し、光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵を生成し、生成した光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵に含まれる共通の鍵情報に基づき、正規受信者装置との間で共有すべき最終秘密鍵を生成し、正規受信者装置と共有する秘密鍵共有システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開第２０１９－２２０７６２号公報

【非特許文献】

【0006】

【文献】PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 030501 (2018)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、衛星で生成された鍵情報を地上の複数の基地局で共有する場合、衛星が信頼できるという仮定で処理が行われている。しかし、衛星では、鍵情報はいわば古典情報として記憶されており、例えば衛星にバックドアが仕掛けられ、衛星に記憶された鍵情報が盗まれてしまった場合、鍵情報に基づき生成された暗号鍵は、秘匿性を失う可能性がある。このため、地上の複数の基地局で上記暗号鍵を共有した場合、通信の安全性は失われてしまう。このように、重要な鍵情報を衛星に残しておくことに、安全性の懸念があった。また、ドローンのような飛翔体を用いた場合でも、上記と同様の内容が懸念されている。

【0008】

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、鍵情報の全ての情報を飛翔体の側に残すことなく、複数の基地局で情報理論的安全な暗号鍵の共有を図ることが可能な暗号鍵共有システム及び暗号鍵共有方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

第１発明に係る暗号鍵共有システムは、飛翔体を介した安全な２地点間での暗号鍵共有システムであって、第１の乱数と第２の乱数とを含み、暗号鍵の生成に用いる鍵情報を生成する鍵情報生成手段と、前記第１の乱数を記憶する第１の記憶手段と、前記第１の乱数を複数の基地局に送信する第１の送信手段と、前記第１の記憶手段によって記憶された前記第１の乱数を削除するとともに、前記第２の乱数を記憶する第２の記憶手段と、前記第２の記憶手段が前記第２の乱数を記憶した後に、前記第２の乱数を複数の前記基地局に送信する第２の送信手段と、前記第１の乱数及び前記第２の乱数を含む前記鍵情報に基づいて、複数の前記基地局間で共有する前記暗号鍵を生成する暗号鍵生成手段とを備えることを特徴とする。

【0010】

第２発明に係る暗号鍵共有システムは、第１発明において、前記第１の送信手段又は前記第２の送信手段は、前記第１の乱数又は前記第２の乱数を光通信路経由で前記飛翔体から前記基地局に送信することを含むことを特徴とする。

【0011】

第３発明に係る暗号鍵共有システムは、第１発明又は第２発明において、前記鍵情報生成手段は、前記飛翔体に設けられ、前記第１の送信手段が前記第１の乱数を複数の前記基地局に送信した後に、第２の乱数を含む鍵情報を生成することを含むことを特徴とする。

【0012】

第４発明に係る暗号鍵共有システムは、第１発明又は第２発明において、前記鍵情報生成手段は、前記複数の基地局のうちの第１の基地局に設けられ、前記第１の基地局は、前記鍵情報を前記飛翔体に配信する配信手段を備えることを特徴とする。

【0013】

第５発明に係る暗号鍵共有システムは、第１発明～第４発明の何れかにおいて、前記暗号鍵生成手段は、鍵蒸留処理により受信した前記鍵情報のビット列を短くすることを含むことを特徴とする。

【0014】

第６発明に係る暗号鍵共有方法は、飛翔体を介した安全な２地点間での暗号鍵共有方法であって、前記飛翔体が第１の乱数と第２の乱数とを含み、暗号鍵の生成に用いる鍵情報を生成する鍵情報生成ステップと、前記飛翔体が前記第１の乱数を記憶する第１の記憶ステップと、前記飛翔体が前記第１の乱数を複数の基地局に送信する第１の送信ステップと、前記飛翔体が前記第１の記憶ステップにおいて記憶された前記第１の乱数を削除するとともに、前記第２の乱数を記憶する第２の記憶ステップと、前記飛翔体が前記第２の記憶ステップで前記第２の乱数を記憶した後に、前記第２の乱数を複数の前記基地局に送信する第２の送信ステップと、前記第１の送信ステップ及び前記第２の送信ステップにより前記第１の乱数及び前記第２の乱数を受信した前記基地局が前記第１の乱数及び前記第２の乱数を含む前記鍵情報に基づいて、複数の前記基地局間で共有する前記暗号鍵を生成する暗号鍵生成ステップとを有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

第１発明～第５発明によれば、第２の記憶手段は、第１の記憶手段によって記憶された第１の乱数を削除するとともに、第２の乱数を記憶する。このため、新たな乱数が飛翔体から送信される際、以前に記憶された乱数を削除することができる。これにより、鍵情報の全ての情報を飛翔体の側に残すことなく、複数の基地局で安全な暗号鍵の共有を図ることができる。

【0016】

特に第２発明によれば、第１の送信手段又は第２の送信手段は、第１の乱数又は第２の乱数を光通信路経由で飛翔体から基地局に送信する。このため、ＲＦ帯の信号を利用する場合よりも受信範囲が狭い範囲に限定される。これにより、ＲＦ帯の信号を利用する場合と比較して、盗聴の可能性を少なくすることができる。

【0017】

特に第３発明によれば、鍵情報生成手段は、飛翔体に設けられ、第１の送信手段が第１の乱数を複数の基地局に送信した後に、第２の乱数を含む鍵情報を生成する。このため、飛翔体を送信源として鍵情報が基地局に送信される。これにより、複数の基地局において鍵情報を共有するまでの時間短縮を図るとともに、鍵情報の送受信回数を少なくすることにより、送受信時の盗聴の可能性を低減することができる。

【0018】

特に第４発明によれば、鍵情報生成手段は、複数の基地局のうちの第１の基地局に設けられ、第１の基地局は、鍵情報を飛翔体に配信する配信手段を備える。このため、鍵情報の発生源を飛翔体が備える必要がない。これにより、飛翔体に鍵情報生成手段を搭載する必要が無いため、飛翔体のメモリ容量を少なくすることができる。

【0019】

特に第５発明によれば、暗号鍵生成手段は、鍵蒸留処理により受信した鍵情報のビット列を短くする。このため、一部の鍵情報を盗聴されたとしても安全な暗号鍵を生成することができる。これにより、暗号鍵の安全性をさらに向上させることができる。

【0020】

第６発明によれば、第２の記憶ステップは、第１の記憶ステップにおいて記憶された第１の乱数を削除するとともに、第２の乱数を記憶する。このため、鍵情報を構成する第１の乱数及び第２の乱数が飛翔体から送信され、暗号鍵を生成するための鍵情報の全ての情報が飛翔体の側に残らない。これにより、鍵情報の全ての情報を飛翔体の側に残すことなく、複数の基地局で安全な暗号鍵の共有を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、本発明を適用した暗号鍵共有システムの例を示す模式図である。

【図2】図２は、第１実施形態における飛翔体の機能構成の一例を示すブロック図である。

【図3】図３は、第１実施形態における基地局の機能構成の一例を示すブロック図である。

【図4】図４は、第１実施形態における飛翔体のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

【図5】図５は、第１実施形態における暗号鍵共有システムの動作の一例を示すフローチャートである。

【図6】図６は、第２実施形態における飛翔体の機能構成の一例を示すブロック図である。

【図7】図７は、第２実施形態における基地局の機能構成の一例を示すブロック図である。

【図8】図８は、第２実施形態における暗号鍵共有システムの動作の一例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】

【0022】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態としての暗号鍵共有システム（無線通信システム）１００について詳細に説明する。図１は、本実施形態の暗号鍵共有システム１００の一例を示す模式図である。暗号鍵共有システム１００は、光・無線通信システムとして機能し、飛翔体１０と、飛翔体１０と無線通信する複数の基地局２０（例えば、第１基地局２０ａ，第２基地局２０ｂ）とを備える。即ち、暗号鍵共有システム１００は、飛翔体１０を介した複数の基地局２０間で安全に暗号鍵を共有するものである。なお、飛翔体１０と無線通信する基地局の個数は２に限られず、３以上であってもよい。

【0023】

飛翔体１０は、例えば人工衛星である。人工衛星は、例えば地球の自転周期と一致する軌道周期をもつ地球周回軌道としての対地同期軌道である静止軌道（GEO：Geostationary Earth Orbit）を周回し、或いは地球の自転周期とは無関係に回る地球低軌道（LEO: Low Earth Orbit）や中軌道（MEO: Medium Earth Orbit）、さらには深宇宙等を飛翔する。飛翔体１０は、地上の複数の基地局２０との間で光通信を行う（光通信路Ａ）。なお、飛翔体１０は、人工衛星に限られず、例えばドローンや無人ヘリコプター等、地上に位置する複数の基地局２０と光通信を行うことができる飛翔体であれば、いかなるものであってもよい。

【0024】

複数の基地局２０は、地上に配置される無線通信用の基地局である。複数の基地局２０は、地上において完全に固定される基地局に限定されるものではなく、車両等に搭載される移動自在型の基地局も含まれる。複数の基地局２０は、飛翔体１０との間で光・無線通信を行う。なお、地上に配置される基地局は、複数の基地局２０に限られず、他の基地局が存在してもよい。

【0025】

第１実施形態では、飛翔体１０で生成された鍵情報が、光・無線通信により複数の基地局２０に送信される。鍵情報は、第１の乱数及び第２の乱数を含み、飛翔体１０から順次複数の基地局２０に送信される。複数の基地局２０は、送信された鍵情報を用いて、基地局間で共有する暗号鍵を生成する。複数の基地局２０間で共有される暗号鍵は、例えば１回毎に使い捨てられるものであってもよい。

【0026】

図２は、飛翔体１０の構成を示す機能ブロック図である。飛翔体１０は、アンテナ１１と、光・無線通信部１２と、制御部１３とを備える。

【0027】

アンテナ１１は、飛翔体１０と複数の基地局２０との間の各種信号の送受信を行うために用いられる。アンテナ１１は、例えば光通信やミリ波通信に用いられる公知のものを示す。

【0028】

光・無線通信部１２は、飛翔体１０との間で光・無線通信を行う上で必要な周波数変換やその他各種変換処理を行い、電気信号を電波に変換し、或いは電波を電気信号に変換するアンテナも含まれる。また光・無線通信部１２は、赤外光、近赤外光、レーザ光、又はあらゆる波長の光信号を電気信号に変換し、或いは電気信号を光信号に変換する変換器も含まれる。この光・無線通信部１２は、外部から送信されてきた電波や光信号に重畳されてきた信号を電気信号に変換した上で制御部１３へ出力する。またこの光・無線通信部１２は、制御部１３から送信されてきた信号を電波や光信号に重畳させて外部へと発信する。

【0029】

制御部１３は、後述する保存部１０４に記憶された制御プログラムに従うことで、鍵情報生成手段１３１、記憶手段１３２、送信手段１３３として機能する。

【0030】

鍵情報生成手段１３１は、鍵情報を生成する。鍵情報は、複数の基地局２０間で用いられる暗号鍵の生成に用いられる。鍵情報生成手段１３１は、例えば第１の鍵情報生成手段１３１ａと第２の鍵情報生成手段１３１ｂとを有する。なお、鍵情報生成手段１３１は、第１の鍵情報生成手段１３１ａ及び第２の鍵情報生成手段１３１ｂ以外の鍵情報生成手段を有してもよい。例えば、第３の鍵情報生成手段１３１ｃ～第ｎの鍵情報生成手段１３１ｎを有してもよい。

【0031】

記憶手段１３２は、乱数を保存部１０４に記憶する。記憶手段１３２は、例えば第１の乱数を記憶する第１の記憶手段１３２ａと、第２の乱数を記憶する第２の記憶手段１３２ｂとを有する。なお、記憶手段１３２は第１の記憶手段１３２ａ及び第２の記憶手段１３２ｂ以外の記憶手段を有してもよい。例えば、第３の記憶手段１３２ｃ～第ｎの記憶手段１３２ｎを有してもよい。

【0032】

送信手段１３３は、例えば第１の送信手段１３３ａと第２の送信手段１３３ｂとを有する。第１の送信手段１３３ａは、第１の乱数を複数の基地局２０に送信し、第２の送信手段１３３ｂは、第２の乱数を複数の基地局２０に送信する。なお、送信手段１３３は第１の送信手段１３３ａ及び第２の送信手段１３３ｂ以外の送信手段を有してもよい。例えば、第３の送信手段１３３ｃ～第ｎの送信手段１３３ｎを有してもよい。

【0033】

図３は、各基地局２０の構成を示す機能ブロック図である。各基地局２０は、アンテナ２１と、光・無線通信部２２と、記憶部２３と、制御部２４を備える。

【0034】

アンテナ２１は、複数の基地局２０と飛翔体１０との間の各種信号の送受信を行うために用いられる。アンテナ２１は、光・無線通信部２２により出力される信号を電波として飛翔体１０に送信する。また、アンテナ２１は、飛翔体１０から受信した光・電波を信号に変換し、当該信号を光・無線通信部２２へ出力する。

【0035】

光・無線通信部２２は、飛翔体１０との間で光・無線通信を行う上で必要な周波数変換やその他各種変換処理を行い、電気信号を電波に変換し、或いは電波を電気信号に変換するアンテナも含まれる。また光・無線通信部２２は、赤外光、近赤外光、レーザ光、又はあらゆる波長の光信号を電気信号に変換し、或いは電気信号を光信号に変換する変換器も含まれる。この光・無線通信部２２は、外部から送信されてきた電波や光信号に重畳されてきた信号を電気信号に変換した上で制御部２４へ出力する。またこの光・無線通信部２２は、制御部２４から送信されてきた信号を電波や光信号に重畳させて外部へと発信する。

【0036】

記憶部２３は、第１基地局２０ａにより取得された各種情報を記憶する。記憶部２３は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）を含み、制御部２４により実行されるプログラム等が記憶される。

【0037】

制御部２４は、記憶部２３に記憶された制御プログラムに従うことで、暗号鍵生成手段２４１として機能する。

【0038】

暗号鍵生成手段２４１は、飛翔体１０から送信された第１の乱数及び第２の乱数を含む鍵情報に基づいて、複数の基地局２０間で共有する暗号鍵を生成する。

【0039】

＜飛翔体１０＞
図４は、飛翔体１０に含まれる構成の一例を示す模式図である。飛翔体１０は、アンテナ１１と、ＣＰＵ１０１と、ＲＯＭ１０２と、ＲＡＭ１０３と、保存部１０４と、Ｉ／Ｆ１０５～１０６とを備える。各構成は、内部バス１０７により接続される。

【0040】

アンテナ１１は、複数の基地局２０と端末信号等の各種信号の送受信を行うために用いられる。ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１は、飛翔体１０全体を制御する。ＲＯＭ（Read Only Memory）１０２は、ＣＰＵ１０１の動作コードを格納する。ＲＡＭ（Random Access Memory）１０３は、ＣＰＵ１０１の動作時に使用される作業領域である。

【0041】

保存部１０４には、各種情報が保存される。保存部１０４としてデータ保存装置が用いられ、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（solid state drive）等が用いられる。なお、図２に示した各機能は、ＣＰＵ１０１がＲＡＭ１０３を作業領域として、保存部１０４等に記憶されたプログラムを実行することにより実現される。なお、保存部１０４は、第１の乱数あるいは第２の乱数のいずれか一方のみが記憶される程度の記憶容量を有する。換言すれば、保存部１０４において鍵情報を記憶するために予め割り当てられた記憶領域の容量は、第１の乱数と第２の乱数とを併せた容量よりも小さく設定されている。

【0042】

Ｉ／Ｆ１０５は、アンテナ１１と接続するためのインターフェース部品である。Ｉ／Ｆ１０６は、ネットワーク等の通信網２００と接続するためのインターフェース部品である。

【0043】

（第１実施形態：暗号鍵共有システム１００の動作）
次に、本実施形態における暗号鍵共有システム１００の動作について説明する。図５は、本実施形態における暗号鍵共有システム１００の動作の一例を示すフローチャートである。

【0044】

暗号鍵共有システム１００は、例えば図５に示すように、第１の鍵情報生成ステップＳ１０と、第１の記憶ステップＳ２０と、第１の送信ステップＳ３０と、第２の鍵情報生成ステップＳ４０と、第２の記憶ステップＳ５０と、第２の送信ステップＳ６０と、暗号鍵生成ステップＳ７０を実行する。

【0045】

＜第１の鍵情報生成ステップＳ１０＞
先ず、第１の鍵情報生成手段１３１ａは、暗号鍵の生成に用いられる鍵情報を生成する（第１の鍵情報生成ステップＳ１０）。具体的には、飛翔体１０において、第１の乱数を生成する。

【0046】

＜第１の記憶ステップＳ２０＞
次に、第１の記憶手段１３２ａは、第１の乱数を記憶する（第１の記憶ステップＳ２０）。飛翔体１０において、生成された第１の乱数を、例えば保存部１０４に記憶する。

【0047】

＜第１の送信ステップＳ３０＞
次に、第１の送信手段１３３ａは、第１の乱数を複数の基地局２０に送信する（第１の送信ステップＳ３０）。飛翔体１０の保存部１０４に記憶された第１の乱数を、例えば光通信路Ａ経由で飛翔体１０から複数の基地局２０に送信する。

【0048】

＜第２の鍵情報生成ステップＳ４０＞
次に、第２の鍵情報生成手段１３１ｂは、第１の乱数とは異なる第２の乱数を生成する（第２の鍵情報生成ステップＳ４０）。飛翔体１０において、第１の送信手段が第１の乱数を複数の基地局２０に送信した後に、第１の乱数とは異なる第２の乱数を生成する。

【0049】

＜第２の記憶ステップＳ５０＞
次に、第２の記憶手段１３２ｂは、第１の乱数を削除するとともに、第２の乱数を記憶する（第２の記憶ステップＳ５０）。飛翔体１０において、第２の乱数を、例えば保存部１０４に記憶する。

【0050】

＜第２の送信ステップＳ６０＞
次に、第２の記憶手段１３２ｂは、第２の乱数を複数の基地局２０に送信する（第２の送信ステップＳ６０）。飛翔体１０の保存部１０４に記憶される第２の乱数を、例えば光通信路Ａ経由で飛翔体１０から複数の基地局２０に送信する。

【0051】

以上の第１の鍵情報生成ステップＳ１０による第１の乱数の生成から第２の送信ステップＳ６０による第２の乱数の複数の基地局２０への送信は、周期的に複数回（例えば１０回）に亘り行われることとすればよい。例えば、第３の乱数の生成、記憶、送信～第ｎの乱数の生成、記憶、送信を実施してもよい。これにより、基地局２０は、複数の乱数を含む鍵情報を取得する。

【0052】

＜暗号鍵生成ステップＳ７０＞
次に、暗号鍵生成手段２４１は、暗号鍵を生成する（暗号鍵生成ステップＳ７０）。第１基地局２０ａは、飛翔体１０から送信された第１の乱数及び第２の乱数を含む鍵情報を用いて、複数の基地局２０間で共有する暗号鍵を生成する。具体的には、誤り訂正処理及び秘匿性増強処理を含む鍵蒸留処理により、第１基地局２０ａは、公開通信路Ｂを介して受信した鍵情報を第２基地局２０ｂに送信する。第２基地局２０ｂは、飛翔体１０及び第１基地局２０ａから受信した２つの鍵情報に基づいて（例えば比較して）誤り率を推定する。次に、第２基地局２０ｂは、それぞれの鍵情報に対して誤り訂正処理を実行する。なお、第１基地局２０ａと第２基地局２０ｂは、逆の処理を行ってもよい。

【0053】

続いて、複数の基地局２０は、秘匿性増強処理を実行する。複数の基地局２０は、誤り訂正後の鍵情報に対し、漏洩情報量を推定する。例えば、複数の基地局２０は、飛翔体１０から出射される光ビームのビーム径、大気揺らぎの影響を考慮し、第三者に盗聴された可能性のある乱数を推定する。そして、盗聴された可能性のある乱数を乱数列（鍵情報）から消去して乱数列を短縮する。短縮した乱数列に基づき、暗号鍵が生成される。なお、複数の基地局２０についての暗号鍵は、暗号鍵のハッシュ値同士を比較することにより安全性が確認される。

【0054】

このように、鍵蒸留処理により、公開通信路Ｂを介して複数の基地局２０間で盗聴の可能性が少ない安全な暗号鍵が共有される。

【0055】

上述した動作を実施することで、本実施形態における暗号鍵共有システム１００の動作は終了する。なお、上述した各ステップＳ１０～Ｓ６０を複数回実施してもよい。

【0056】

本実施形態によれば、第２の記憶手段１３２ｂは、第１の記憶手段１３２ａによって記憶された第１の乱数が基地局に送信された後に第１の乱数を削除して第２の乱数を記憶する。このため、新たな乱数が飛翔体１０から送信される際、以前に記憶された乱数を削除することができる。これにより、鍵情報の全ての情報を飛翔体１０の側に残すことなく、複数の基地局で安全な暗号鍵の共有を図ることができる。

【0057】

また、本実施形態によれば、第１の送信手段１３３ａ又は第２の送信手段１３３ｂは、第１の乱数又は第２の乱数を光通信路Ａ経由で飛翔体１０から複数の基地局２０に送信する。このため、ＲＦ帯の信号を利用する場合よりも受信範囲が狭い範囲に限定される。これにより、ＲＦ帯域通信を利用する場合と比較して、盗聴の可能性を少なくすることができる。

【0058】

また、本実施形態によれば、第１の鍵情報生成手段１３１ａ及び第２の鍵情報生成手段１３１ｂは、飛翔体１０に設けられ、第１の送信手段１３３ａが第１の乱数を基地局に送信した後に第２の乱数を含む鍵情報を生成する。このため、飛翔体１０を送信源として鍵情報が複数の基地局２０に送信される。これにより、複数の基地局２０において鍵情報を共有するまでの時間短縮を図るとともに、鍵情報の送受信回数を少なくすることにより、送受信時の盗聴の可能性を低減することができる。

【0059】

また、本実施形態によれば、暗号鍵生成手段２４１は、鍵蒸留処理により受信した鍵情報のビット列を短くする。このため、一部の情報を盗聴されたとしても安全な暗号鍵を生成することができる。これにより、暗号鍵の安全性をさらに向上させることができる。なお、暗号鍵の情報理論的安全性は量子鍵配送もしくは物理レイヤ暗号のワイヤタップモデルが成立することを前提としている。

【0060】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態における暗号鍵共有システム１００について説明する。上述した実施形態と、第２実施形態との違いは、鍵情報生成手段が基地局６０に設けられている点である。なお、上述した実施形態と同様の内容に関しては、説明を省略する。第２実施形態に係る暗号鍵共有システム１００は、飛翔体５０と複数の基地局６０（例えば第１基地局６０ａ、第２基地局６０ｂ）を有する。

【0061】

図６は、第２実施形態に係る飛翔体５０の構成を示す機能ブロック図である。飛翔体１０は、第１実施形態と同様に、アンテナ１１と、光・無線通信部１２と、制御部１３とを備える。なお、アンテナ１１、光・無線通信部１２の構成及び機能は、第１実施形態に係る飛翔体１０と同様である。

【0062】

制御部１３は、記憶手段１３２、送信手段１３３として機能する。即ち、第２実施形態は、第１実施形態と比較して、制御部１３には鍵情報生成手段が設けられていない点が異なっている。

【0063】

記憶手段１３２は、第１の記憶手段１３２ａと、第２の記憶手段１３２ｂとを有する。第１の記憶手段１３２ａは、第１基地局６０ａから配信された第１の乱数を記憶し、第２の記憶手段１３２ｂは、第１基地局６０ａから配信された第２の乱数を記憶する。なお、記憶手段１３２が第１の記憶手段１３２ａ及び第２の記憶手段１３２ｂ以外の記憶手段を有してもよいことは、第１実施形態と同様である。

【0064】

送信手段１３３は、例えば第１の送信手段１３３ａと第２の送信手段１３３ｂとを有する。第１の送信手段１３３ａは、第１の乱数を複数の基地局６０に送信し、第２の送信手段１３３ｂは、第２の乱数を複数の基地局６０に送信する。なお、送信手段１３３が第１の送信手段１３３ａ及び第２の送信手段１３３ｂ以外の送信手段を有してもよいことは、第１実施形態と同様である。

【0065】

図７は、各基地局６０の構成を示す機能ブロック図である。基地局６０は、アンテナ２１と、光・無線通信部２２と、記憶部２３と、制御部２４を備える。

【0066】

制御部２４は、記憶部２３に記憶された制御プログラムに従うことで、暗号鍵生成手段２４１以外に、鍵情報生成手段２４ａ及び配信手段２４ｂとしても機能する。

【0067】

鍵情報生成手段２４ａは、暗号鍵の生成に用いる鍵情報を生成する。鍵情報は、複数の基地局６０間で用いられる暗号鍵の生成に用いられる。鍵情報生成手段２４ａは、第１の乱数及び第２の乱数を含む鍵情報を１つの鍵情報として生成してもよく、あるいは第１の乱数を含む鍵情報と第２の乱数を含む鍵情報を分離して生成してもよい。

【0068】

配信手段２４ｂは、鍵情報を飛翔体１０に配信する。配信手段２４ｂは、第１の乱数を含む鍵情報と第２の乱数を含む鍵情報を順次飛翔体１０に配信する。

【0069】

（第２実施形態：暗号鍵共有システム１００の動作）
次に、第２実施形態における暗号鍵共有システム１００の動作について説明する。図８は、本実施形態における暗号鍵共有システム１００の動作の一例を示すフローチャートである。

【0070】

暗号鍵共有システム１００は、例えば図８に示すように、鍵情報生成ステップＳ１１０と、配信ステップＳ１２０と、第１の記憶ステップＳ１３０と、第１の送信ステップＳ１４０と、第２の記憶ステップＳ１５０と、第２の送信ステップＳ１６０と、暗号鍵生成ステップＳ１７０を実行する。

【0071】

＜鍵情報生成ステップＳ１１０＞
先ず、鍵情報生成手段２４ａは、暗号鍵の生成に用いられる鍵情報を生成する（鍵情報生成ステップＳ１１０）。例えば、第１基地局６０ａにおいて、第１の乱数及び第２の乱数を含む鍵情報を生成する。

【0072】

＜配信ステップＳ１２０＞
次に、配信手段２４ｂは、鍵情報を飛翔体１０に配信する（配信ステップＳ１２０）。記憶部２３に記憶されている鍵情報を第１基地局６０ａから飛翔体５０に配信する。

【0073】

＜第１の記憶ステップＳ１３０＞
次に、第１の記憶手段１３２ａは、第１の乱数を記憶する（第１の記憶ステップＳ１３０）。具体的には、飛翔体１０において、第１の乱数を、例えば保存部１０４に記憶する。

【0074】

＜第１の送信ステップＳ１４０＞
次に、第１の送信手段１３３ａは、第１の乱数を複数の基地局６０に送信する（第１の送信ステップＳ１４０）。飛翔体５０の保存部１０４に記憶される第１の乱数を、例えば光通信路Ａ経由で飛翔体５０から複数の基地局６０に送信する。第１の送信ステップＳ１４０は、例えば飛翔体５０から第１基地局６０ａ以外の基地局６０への第１の乱数を送信する処理である。

【0075】

＜第２の記憶ステップＳ１５０＞
次に、第２の記憶手段１３２ｂは、第１の乱数を削除するとともに、第２の乱数を記憶する（第２の記憶ステップＳ１５０）。飛翔体５０において、第２の乱数を、例えば保存部１０４に記憶する。

【0076】

＜第２の送信ステップＳ１６０＞
次に、第２の送信手段１３３ｂは、第２の乱数を複数の基地局６０に送信する（第２の送信ステップＳ１６０）。飛翔体５０の保存部１０４に記憶される第２の乱数を、例えば光通信路Ａ経由で飛翔体５０から複数の基地局６０に送信する。

【0077】

以上の鍵情報生成ステップＳ１１０による第１の乱数の生成から第２の送信ステップＳ１６０による第２の乱数の複数の基地局６０への送信は、周期的に複数回（例えば１０回）に亘り行われることとすればよい。例えば、第３の乱数の記憶、送信～第ｎの乱数の記憶、送信を実施してもよい。これにより、各基地局６０は、複数の乱数を含む鍵情報を取得する。

【0078】

＜暗号鍵生成ステップＳ１７０＞
次に、暗号鍵生成手段２４１は、暗号鍵を生成する（暗号鍵生成ステップＳ１７０）。第１基地局６０ａは、飛翔体１０から送信された第１の乱数及び第２の乱数を含む鍵情報を用いて、複数の基地局６０間で共有する暗号鍵を生成する。なお、誤り訂正処理及び秘匿性増強処理を含む鍵蒸留処理の詳細は、第１実施形態と同様であるため、詳しい説明は省略する。鍵蒸留処理により、複数の基地局６０間で共有される受信した鍵情報のビット列を短くできるため、安全な暗号鍵を取得することができる。

【0079】

本実施形態によれば、鍵情報生成手段は、例えば複数の基地局のうちの第１基地局６０ａに設けられ、第１基地局６０ａは、鍵情報を飛翔体５０に配信する配信手段を備える。第１基地局６０ａで生成され、飛翔体５０に配信された鍵情報は、第２基地局６０ｂに送信される。このため、鍵情報の発生源を飛翔体５０が備える必要がない。これにより、飛翔体５０に鍵情報生成手段を搭載する必要が無いため、飛翔体のメモリ容量を少なくすることができる。

【0080】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0081】

１０ ：飛翔体
１１ ：アンテナ
１２ ：光・無線通信部
１３ ：制御部
１３１ ：鍵情報生成手段
１３１ａ ：第１の鍵情報生成手段
１３１ｂ ：第２の鍵情報生成手段
１３２ ：記憶手段
１３２ａ ：第１の記憶手段
１３２ｂ ：第２の記憶手段
１３３ ：送信手段
１３３ａ ：第１の送信手段
１３３ｂ ：第２の送信手段
２０ ：基地局
２０ａ ：第１基地局
２０ｂ ：第２基地局
２１ ：アンテナ
２２ ：光・無線通信部
２３ ：記憶部
２４ ：制御部
２４ａ ：鍵情報生成手段
２４ｂ ：配信手段
２４１ ：暗号鍵生成手段
５０ ：飛翔体
６０ ：基地局
６０ａ ：第１基地局
６０ｂ ：第２基地局
１００ ：暗号鍵共有システム
１０１ ：ＣＰＵ
１０２ ：ＲＯＭ
１０３ ：ＲＡＭ
１０４ ：保存部
１０５ ：Ｉ／Ｆ
１０６ ：Ｉ／Ｆ
１０７ ：内部バス
２００ ：通信網

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】