特許 7503251 光子検出装置、受信装置、量子鍵配送システム及び量子信号の検出方法

(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】2024-06-12

(45)【発行日】2024-06-20

(54)【発明の名称】光子検出装置、受信装置、量子鍵配送システム及び量子信号の検出方法

(51)【国際特許分類】

   H04B 10/70 20130101AFI20240613BHJP

   H04B 10/60 20130101ALI20240613BHJP

   H01L 31/107 20060101ALI20240613BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20240613BHJP

   G01J 11/00 20060101ALI20240613BHJP

   G01J 1/42 20060101ALI20240613BHJP

【ＦＩ】

H04B10/70

H04B10/60

H01L31/10 B

H01L31/10 G

G01J11/00

G01J1/42 H

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022578364

(86)(22)【出願日】2022-01-24

(86)【国際出願番号】 JP2022002434

(87)【国際公開番号】W WO2022163577

(87)【国際公開日】2022-08-04

【審査請求日】2023-07-11

(31)【優先権主張番号】P 2021013986

(32)【優先日】2021-01-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【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２年度、国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構、戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）事業「光・量子を活用したＳｏｃｉｅｔｙ５．０実現化技術／社会実装に向けた量子暗号装置の研究開発」に関する委託研究、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】000004237

【氏名又は名称】日本電気株式会社

(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

(73)【特許権者】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】吉野 健一郎

(72)【発明者】

【氏名】藤原 幹生

(72)【発明者】

【氏名】富田 章久

(72)【発明者】

【氏名】小芦 雅斗

(72)【発明者】

【氏名】武岡 正裕

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 雅英

【審査官】鴨川 学

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２９４９３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３７５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１０６９７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／１８０７７０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｂ １０／７０

Ｈ０４Ｂ １０／６０

Ｈ０１Ｌ ３１／１０

Ｇ０１Ｊ １１／００

Ｇ０１Ｊ １／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

量子信号の検出結果を示す電流信号を出力する光子検出器と、
前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力するアナログ－デジタル変換器と、
前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力する信号処理部と、を備え、
前記光子検出器から前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は前記信号処理部から出力されない、
光子検出装置。

【請求項2】

前記アナログ－デジタル変換器は、
前記電流信号が入力するタイミングと、前記基準タイミングと、の間の第１の時間差が第１の判定範囲に収まる場合には、前記出力信号を前記信号処理部に出力し、
前記第１の時間差が前記第１の判定範囲に収まらない場合には、前記出力信号を破棄する、
請求項１に記載の光子検出装置。

【請求項3】

前記信号処理部は、
前記出力信号が入力するタイミングと、前記基準タイミングと、の間の第２の時間差が第２の判定範囲に収まる場合には、前記検出信号を出力し、
前記第２の時間差が前記第２の判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号を破棄する、
請求項１に記載の光子検出装置。

【請求項4】

前記時間差が前記判定範囲の下限閾値以上かつ前記判定範囲の上限閾値以下の場合、前記時間差が前記判定範囲に収まるものと判定され、
前記時間差が前記判定範囲の前記下限閾値よりも小さい場合、又は、前記判定範囲の前記上限閾値よりも大きい場合、前記時間差が前記判定範囲に収まらないものと判定される、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光子検出装置。

【請求項5】

前記時間差が前記判定範囲の下限閾値よりも大きく、かつ、前記判定範囲の上限閾値よりも小さい場合、前記時間差が前記判定範囲に収まるものと判定され、
前記時間差が前記判定範囲の前記下限閾値以下の場合、又は、前記判定範囲の前記上限閾値以上の場合、前記時間差が前記判定範囲に収まらないものと判定される、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光子検出装置。

【請求項6】

量子信号を検出する光子検出装置を備え、
前記光子検出装置は、
前記量子信号の検出結果を示す電流信号を出力する光子検出器と、
前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力するアナログ－デジタル変換器と、
前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力する信号処理部と、を備え、
前記光子検出器から前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は前記信号処理部から出力されない、
受信装置。

【請求項7】

量子信号を送信する送信装置と、
前記量子信号を検出する光子検出装置を備える受信装置と、を備え、
前記光子検出装置は、
前記量子信号の検出結果を示す電流信号を出力する光子検出器と、
前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力するアナログ－デジタル変換器と、
前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力する信号処理部と、を備え、
前記光子検出器から前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は前記信号処理部から出力されない、
量子鍵配送システム。

【請求項8】

量子信号の検出結果を示す電流信号を出力し、
前記電流信号を電圧信号に変換し、
前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力し、
前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力し、
前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は出力されない、
量子信号の検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光子検出装置、受信装置、量子鍵配送システム及び量子信号の検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

インターネットの普及が進むにつれて、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的なニーズが益々高まっている。こうした背景から、通信のセキュリティを確保するため、遠隔地間で乱数からなる安全な秘密鍵を共有する技術である、原理的に盗聴が困難とされる、量子鍵配送技術の利用が注目されている（特許文献１～５）。

【0003】

量子鍵配送においては、一般に、送信装置から受信装置へ量子信号が送信され、受信装置に設けられた複数の光子検出器を用いて量子信号を検出する。この場合、光子検出器の検出効率にばらつき（偏り）が有ると、盗聴に利用されるおそれが有る。暗号技術においては、こうした情報の偏りを利用した盗聴が広く知られている。そのため、盗聴を好適に防止するには、光子検出器の検出効率が均一であることが望ましいことが知られている。

【0004】

量子鍵配送においては、量子鍵を用いた量子暗号通信に対し、サイドチャネル攻撃などの様々な盗聴の試みがなされている。その中で、量子信号を検出する光子検出器の脆弱性を利用して、盗聴者が直接量子信号を盗聴することなく、光子検出器への量子信号の到達時間を操作することで盗聴を行う、タイムシフト攻撃と称する盗聴手法（非特許文献１）が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１１－７５５７７号公報

【文献】特開２０１９－１２５９６１号公報

【文献】特表２０１９－５２２４３４号公報

【文献】特表２０１３－５３９３２７号公報

【文献】特開２０１０－１６６２８５号公報

【非特許文献】

【0006】

【文献】Bing Qi, et. Al.,“TIME-SHIFT ATTACK IN PRACTICAL QUANTUM CRYPTOSYSTEMS”, 2007, Quantum Information and Computation, vol. 7, pp. 073-082

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

一般に、量子鍵配送においては、量子信号の検出するために複数の光子検出器が用いられる。量子信号を担う光子は理想的には１つが望ましいものの、実際には２個以上の光子である場合もある。しかし、いずれにしても量子信号の強度は微弱であるため、光子検出器には受信した微弱な信号を増幅して出力することができる、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche PhotoDiode）が用いられる。

【0008】

ＡＰＤは、ブレークダウン電圧を超える逆バイアスを印加した状態において光子が入射したときに生じる電子をきっかけとして電子雪崩現象が生じ、これにより信号を増幅することができる。そのため、量子鍵配送においては、量子信号の光子の入射タイミングと同期するように、ＡＰＤに印加する逆バイアス電圧を高くする（例えば、特許文献１）。図１０に、ＡＰＤへの電圧印加のタイミングと、光子検出効率の時間依存性を模式的に示す。ＡＰＤへの逆バイアス印加のタイミングと光子の入射タイミングとが一致したとき、ＡＰＤの光子の検出効率は最大となる。しかし、ＡＰＤへの逆バイアス印加のタイミングと光子の入射タイミングとの間には時間差が有る場合、時間差が大きくなるにつれてＡＰＤの検出効率が低下することが知られている。つまり、ＡＰＤの光子の検出効率には、光子の入射タイミング依存性が存在する。

【0009】

量子鍵配送では複数の光子検出器（ＡＰＤ）を用いるが、高い安全性を保証するためには、各光子検出器での光子の検出効率が等しいことが望ましい。しかし、光子検出器が有する光子の検出効率の入射タイミング依存性は個体差が存在する。図１１に、複数の光子検出器の光子の検出効率の入射タイミング依存性の例を示す。図１１では、Ｘ基底の０及び１ビット、Ｚ基底の０及び１ビットを４つの光子検出器で検出する例を示した。図１１に示すように、同じタイミング（例えば、図１１のタイミングＴ）で光子が入射したとしても、複数の光子検出器の間では、光子の検出効率がばらついてしまう。

【0010】

複数の光子検出器のそれぞれは、量子信号のいずれかの基底の各ビットに割り当てられるため、光子検出器の光子の検出効率の入射タイミング依存性にばらつきが有ると、例えば各基底の各ビットの検出効率が解析され、結果として盗聴を許す事態が生じ得る。そのため、光子検出器の光子の検出効率の入射タイミング依存性の影響を防止ないしは抑制することが求められる。

【0011】

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、量子鍵配送における盗聴を防止することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の一態様である光子検出装置は、量子信号の検出結果を示す電流信号を出力する光子検出器と、前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力するアナログ－デジタル変換器と、前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力する信号処理部と、を備え、前記光子検出器から前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は前記信号処理部から出力されないものである。

【0013】

本発明の一態様である受信装置は、量子信号を検出する光子検出装置を備え、前記光子検出装置は、前記量子信号の検出結果を示す電流信号を出力する光子検出器と、前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力するアナログ－デジタル変換器と、前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力する信号処理部と、を備え、前記光子検出器から前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は前記信号処理部から出力されないものである。

【0014】

本発明の一態様である量子鍵配送システムは、量子信号を送信する送信装置と、前記量子信号を検出する光子検出装置を備える受信装置と、を備え、前記光子検出装置は、前記量子信号の検出結果を示す電流信号を出力する光子検出器と、前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力するアナログ－デジタル変換器と、前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力する信号処理部と、を備え、前記光子検出器から前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は前記信号処理部から出力されないものである。

【0015】

本発明の一態様である量子信号の検出方法は、量子信号の検出結果を示す電流信号を出力し、前記電流信号を電圧信号に変換し、前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力し、前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力し、前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は出力されないものである。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、量子鍵配送における盗聴を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】量子鍵配送システムの概要構成を示す図である。

【図2】実施の形態１にかかる受信装置の基本構成を模式的に示す図である。

【図3】実施の形態１にかかる受信装置の構成例を模式的に示す図である。

【図4】実施の形態１にかかる光子検出装置の構成を模式的に示す図である。

【図5】実施の形態１にかかる同期信号受信装置の構成を模式的に示す図である。

【図6】実施の形態１にかかる光子検出装置での盗聴防止動作における信号の流れを示す図である。

【図7】実施の形態１にかかる光子検出装置での盗聴防止動作のフローチャートである。

【図8】実施の形態１にかかる光子検出装置での盗聴防止動作における信号の流れを示す図である。

【図9】実施の形態１にかかる光子検出装置での盗聴防止動作のフローチャートである。

【図10】ＡＰＤへの電圧印加のタイミングと、光子検出効率の時間依存性を模式的に示す図である。

【図11】複数の光子検出器の光子の検出効率の入射タイミング依存性の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

【0019】

実施の形態１
実施の形態１にかかる量子鍵配送システム１０００について説明する。量子鍵配送システム１０００は、例えば、位相エンコード又は偏波エンコードのＢＢ８４プロトコルが適用されたものとして構成される。

【0020】

図１に、量子鍵配送システム１０００の概要構成を示す。量子鍵配送システム１０００は、送信装置１１０、受信装置１００、伝送路１２０及び１３０を有する。送信装置１１０は、伝送路１２０を介して、受信装置１００への暗号鍵の付与に用いる量子信号Ｑと、量子信号Ｑの検出タイミングの制御に用いられる同期信号Ｓと、を受信装置１００へ出力する。また、送信装置１１０及び受信装置１００は、公開通信路である伝送路１３０を介して、例えば基底情報、テストビット、誤り訂正の情報などを含む信号を送受信することができる。

【0021】

量子信号Ｑは、単一光子、又は、量子効果が発現する程度の数の光子からなる光パルスとして送信される光信号である。

【0022】

本実施の形態では、同期信号Ｓは、量子信号Ｑの伝送に用いられる伝送路１２０によって送信される光信号である。量子信号Ｑと同期信号Ｓは、例えば異なる波長の光信号であり、波長多重されて受信装置１００へ送信されてもよい。

【0023】

図２に、実施の形態１にかかる受信装置１００の基本構成を模式的に示す。受信装置１００は、光子検出装置１０、同期信号受信装置２０及びクロック信号生成部３０を有する。受信装置１００には、量子信号Ｑ及び同期信号Ｓが入力され、量子信号Ｑは光子検出装置１０により検出され、同期信号Ｓは同期信号受信装置２０により受信される。

【0024】

クロック信号生成部３０は、例えば位相同期回路（ＰＬＬ：Phase Locked Loop）として構成され、クロック信号ＣＬＫを生成して、光子検出装置１０及び同期信号受信装置２０へ出力する。本構成では、クロック信号生成部３０は、同期信号受信装置２０から与えられる、同期信号Ｓの受信タイミングを通知する基準信号ＲＥＦに応じて、クロック信号ＣＬＫのタイミングを調整する。クロック信号ＣＬＫは、後述する逆バイアスパルスタイミング信号及び出力電圧信号よりも高い時間精度を有する高速クロック信号として生成される。

【0025】

次いで、受信装置１００について更に説明する。図３に、実施の形態１にかかる受信装置１００の構成例を模式的に示す。受信装置１００には、例えば、量子信号Ｑ及び同期信号Ｓを波長分離する波長分離部４０が設けられる。これにより、量子信号Ｑは光子検出装置１０により検出し、同期信号Ｓは同期信号受信装置２０により受信することが可能となる。波長分離部４０は、例えばＷＤＭカプラなどの任意の波長分離手段として構成することができる。

【0026】

次いで、光子検出装置１０について説明する。ここでは、光子検出装置１０の構成の理解を容易にするため、光子検出器であるアバランシェフォトダイオードが１つと、この１つのアバランシェフォトダイオードの出力電流を用いて、入射した光子を検出するための回路構成について説明する。なお、言うまでもないが、量子鍵配送において用いられる基底などに応じて、以下の図４に示す回路構成が光子検出装置に複数設けられる。また、送信される量子信号に適用されるエンコード方式（位相エンコードや偏波エンコードなど）に応じて、複数の光子検出器（アバランシェフォトダイオード）に光子を分配するための構成（簡略化のため不図示）が設けられることも、言うまでも無い。

【0027】

図４に、実施の形態１にかかる光子検出装置１０の構成を模式的に示す。実施の形態１にかかる光子検出装置１０は、タイミング生成部１１、電源部１２、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１３、電流電圧変換部１４、サンプリング部１５及び信号処理部１６を有する。

【0028】

タイミング生成部１１は、クロック信号ＣＬＫに応じて逆バイアスパルスタイミング信号Ｓ１１を生成し、電源部１２へ出力する。クロック信号ＣＬＫは、後述するように、同期信号受信装置２０から供給される。

【0029】

電源部１２は、逆バイアス電圧ＶＢ１を生成して、逆バイアスパルスタイミング信号Ｓ１１に応じてＡＰＤ１３に印加する。逆バイアス電圧ＶＢ１は、ＡＰＤ１３のブレークダウン電圧以下の直流成分と、ブレークダウン電圧以上の逆バイアスパルス成分とを含む。

【0030】

ＡＰＤ１３では、逆バイアスパルス成分がＡＰＤ１３に印加されているタイミングで受光面に光子、すなわち量子信号Ｑが入射すると、生成された光電子によるアバランシェ（電子雪崩）効果によって電子が増倍される。これにより、ＡＰＤ１３から出力電流Ｉ１が出力される。なお、光子が入射しない場合でもダークノイズが存在しており、出力電流Ｉ１は一定の値の電流として検出される。

【0031】

電流電圧変換部１４は、出力電流Ｉ１（電流信号とも称する）を電圧信号である出力電圧信号Ｓ１２に変換し、サンプリング部１５へ出力する。ここでは、電流電圧変換部１４として、トランスインピーダンスアンプ（以下ＴＩＡ）などを用いる。

【0032】

サンプリング部１５は、クロック信号ＣＬＫに応じて、出力電圧信号Ｓ１２をサンプリングし、離散的な値を有する、すなわちデジタル信号である出力電圧信号Ｓ１３を信号処理部１６へ出力する。サンプリング部１５は、２値のデジタル信号を出力してもよいし、アナログ－デジタル（ＡＤ）変換により生成した多値のデジタル信号を出力してもよい。ここでは、サンプリング部１５として、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）を用いる。

【0033】

信号処理部１６は、クロック信号ＣＬＫに応じて、デジタル信号である出力電圧信号Ｓ１３に所定の信号処理を行い、光子の受信結果を示す光子検出信号ＯＵＴを出力する。

【0034】

次に、同期信号受信装置２０について説明する。図５に、実施の形態１にかかる同期信号受信装置２０の構成を模式的に示す。同期信号受信装置２０は、電源部２１、フォトダイオード２２、電流電圧変換部２３及び基準信号生成部２４を有する。

【0035】

電源部２１は、逆バイアス電圧ＶＢ２を生成して、フォトダイオード２２に印加する。逆バイアス電圧ＶＢ２は、例えば、数ボルト程度の直流電圧として出力される。

【0036】

フォトダイオード２２は、逆バイアス電圧ＶＢ２が印加されている状態で受光面に同期信号Ｓ（この例では後述する同期信号Ｓｄ）が入射すると、入射光の強度に応じた出力電流Ｉ２を出力する。一般に、同期信号Ｓは量子信号Ｑと比べて光強度が強いため、同期信号Ｓを受信するフォトダイオード２２の種類は特に限られず、ＡＰＤを含む各種のフォトダイオードを用いることができる。

【0037】

電流電圧変換部２３は、出力電流Ｉ２を電圧信号である出力電圧信号Ｓ２１に変換し、基準信号生成部２４へ出力する。ここでは、電流電圧変換部２３として、トランスインピーダンスアンプ（以下ＴＩＡ）などを用いる。

【0038】

基準信号生成部２４は、出力電圧信号Ｓ２１に応じて、デジタル信号である基準信号ＲＥＦをクロック信号生成部３０へ出力する。基準信号生成部２４は、２値のデジタル信号を出力してもよいし、アナログ－デジタル（Ａ／Ｄ）変換により生成した多値のデジタル信号を出力してもよい。基準信号生成部２４は、例えば、クロック・データ・リカバリ（Clock Data Recovery：CDR）回路として構成されてもよい。

【0039】

次いで、盗聴を防止するための光子検出装置１０の動作について説明する。図６に、実施の形態１にかかる光子検出装置１０での盗聴防止動作における信号の流れを示す。図７は、実施の形態１にかかる光子検出装置１０での盗聴防止動作のフローチャートである。

【0040】

上記したように、クロック信号ＣＬＫは、受信した同期信号Ｓに応じて生成されるため、正確なタイミング信号であると考え得る。これに対し、例えば盗聴者がタイムシフト攻撃を用いた盗聴を試みると、盗聴者が送信した偽の量子信号ＱＦが受信装置１００に入射することがある。

【0041】

偽の量子信号ＱＦは、正しい量子信号Ｑよりも入射タイミングが早くなったり遅くなったりするので、量子信号の入射タイミングを検出することで、量子信号の真偽を判別することが可能である。そこで、本構成では、クロック信号ＣＬＫと量子信号の入射タイミング、すなわちＡＰＤ１３から出力電流Ｉ１が出力されるタイミングとの時間差Δｔ（第１の時間差とも称する）を検出し、時間差Δｔが所定範囲の外である場合には、受信した量子信号にかかる情報を破棄する。これにより、盗聴を防止することができる。以下、具体的に説明する。

【0042】

図６に示すように、本構成では、サンプリング部１５が、クロック信号ＣＬＫに応じて、アナログ信号である出力電圧信号Ｓ１２をサンプリングし、デジタル信号である出力電圧信号Ｓ１３に変換している。ここで、ＡＰＤ１３に量子信号Ｑが入射する時刻（出力電流Ｉ１が出力される時刻）をｔ、時刻ｔから出力電圧信号Ｓ１２がサンプリング部１５に到達するまでの時間をΔｔ_ｄ１、クロック信号ＣＬＫに基づいた基準タイミングをＴ_ｒｅｆと定義する。この場合、サンプリング部１５が、出力電圧信号Ｓ１２がサンプリング部１５に到達する時刻ｔ＋Δｔ_ｄ１と、基準タイミングＴ_ｒｅｆと、の間の時間差Δｔをモニタして、時間差Δｔが所定範囲（第１の判定範囲とも称する）の外であるかを判定すればよい。サンプリング部１５は、時間差Δｔをモニタすることで、ＡＰＤ１３から出力電流Ｉ１が出力されるタイミングを間接的にモニタしていることが理解できる。

【0043】

サンプリング部１５は、例えば、時間差Δｔをモニタし、時間差Δｔが第１の閾値ＴＨ１（下限閾値とも称する）以上であり、かつ、第２の閾値ＴＨ２（上限閾値とも称する）以下であるかを判定する（図７のステップＳＴ１）。

【0044】

時間差Δｔが第１の閾値ＴＨ１以上であり、かつ、第２の閾値ＴＨ２以下である場合、すなわち時間差Δｔが第１の閾値ＴＨ１及び第２の閾値ＴＨ２で規定される判定範囲に収まっている場合、サンプリング部１５は、受信した量子信号Ｑは真の量子信号であるものとして、Ａ／Ｄ変換結果である出力電圧信号Ｓ１３を出力する（図７のステップＳＴ２）。

【0045】

時間差Δｔが第１の閾値ＴＨ１よりも小さい、又は、第２の閾値ＴＨ２よりも大きい場合には、すなわち時間差Δｔが判定範囲外である場合、サンプリング部１５は、受信した量子信号Ｑは偽の量子信号であるものとして、上述したＡ／Ｄ変換結果である出力電圧信号Ｓ１３を出力せずに信号を破棄する（図７のステップＳＴ３）。

【0046】

以上、本構成によれば、サンプリング部１５での時間差判定によって、クロック信号ＣＬＫからタイミングが所定値だけずれた量子信号の情報を破棄することができる。これにより、上述したとおり、盗聴を好適に防止することができる。

【0047】

特に、本構成によれば、光子検出器からの出力電流のタイミング、換言すれば光子検出器へ一定以上時間的にずれて入射する光子の情報を破棄することができるので光子検出器への光子入射タイミング依存性を利用するタイムシフト攻撃による盗聴を好適に防止することができる。

【0048】

また、上述の時間差判定は、サンプリング部１５の代わりに、信号処理部１６で行ってもよい。以下、信号処理部１６で時間差判定を行う場合の光子検出装置１０の盗聴防止動作について説明する。図８に、実施の形態１にかかる光子検出装置１０での盗聴防止動作における信号の流れを示す。図９は、実施の形態１にかかる光子検出装置１０での盗聴防止動作のフローチャートである。

【0049】

図８に示すように、本構成では、信号処理部１６が、クロック信号ＣＬＫに応じて、出力電圧信号Ｓ１３に所定の信号処理を行う。ここで、ＡＰＤ１３に量子信号Ｑが入射する時刻ｔから出力電圧信号Ｓ１３が信号処理部１６に到達するまでの時間をΔｔ_ｄ２と定義する。この場合、信号処理部１６が、出力電圧信号Ｓ１３が信号処理部１６に到達する時刻ｔ＋Δｔ_ｄ２と、基準タイミングＴ_ｒｅｆと、の間の時間差Δｔをモニタして、サンプリング部１５の場合と同様に、時間差判定を行えばよい。この場合でも、上述と同様に、サンプリング部１５は、時間差Δｔをモニタすることで、ＡＰＤ１３から出力電流Ｉ１が出力されるタイミングを間接的にモニタしていることが理解できる。

【0050】

信号処理部１６は、例えば、時間差Δｔ（第２の時間差とも称する）をモニタし、時間差Δｔが第１の閾値ＴＨ１以上であり、かつ、第２の閾値ＴＨ２以下であるかを判定する（図９のステップＳＴ４）。

【0051】

時間差Δｔが第１の閾値ＴＨ１及び第２の閾値ＴＨ２で規定される判定範囲（第２の判定範囲とも称する）に収まっている場合には、信号処理部１６は、受信した量子信号Ｑは真の量子信号であるものとして、信号処理部１６は、上述した信号処理を行う（図９のステップＳＴ５）。

【0052】

時間差Δｔが判定範囲外である場合には、受信した量子信号Ｑは偽の量子信号であるものとして、信号処理部１６は、上述した信号処理を行わず、出力電圧信号Ｓ１３を破棄する（図９のステップＳＴ６）。

【0053】

以上、本構成によれば、信号処理部１６での時間差判定によって、クロック信号ＣＬＫからタイミングが所定値だけずれた量子信号の情報を破棄することができる。これにより、サンプリング部１５における場合と同様に、盗聴を好適に防止することができる。

【0054】

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態では、単一光子検出器としてアバランシェフォトダイオードを用いるものとして説明したが、光子検出効率が光子の入射タイミングに依存する単一光子検出器であるかぎり、他の構成の単一光子検出器を適用してもよい。

【0055】

上述の実施の形態では、時間差が判定範囲の下限の閾値以上かつ上限の閾値以下である場合に判定範囲に収まるものとして説明したが、これは例示に過ぎない。例えば、時間差が判定範囲の下限の閾値よりも大きく、かつ、上限の閾値よりも小さい場合に判定範囲に収まるものとして判定してもよい。

【0056】

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

【0057】

この出願は、２０２１年１月２９日に出願された日本出願特願２０２１－１３９８６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

【符号の説明】

【0058】

１０ 光子検出装置
１１、２１ タイミング生成部
１２、２１ 電源部
１３ アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
１４、２３ 電流電圧変換部
１５ サンプリング部
１６ 信号処理部
２０ 同期信号受信装置
２２ フォトダイオード
２４ 基準電圧生成部
３０ クロック生成部
４０ 波長分離部
１００ 受信装置
１１０ 送信装置
１２０、１３０ 伝送路
１０００ 量子鍵配送システム
ＣＬＫ クロック信号
Ｉ１、Ｉ２ 出力電流
ＯＵＴ 光子検出信号
Ｑ 量子信号
ＲＥＦ 基準信号
Ｓ 同期信号
Ｓ１１ 逆バイアスパルスタイミング信号
Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ２１ 出力電圧信号
ＶＢ１、ＶＢ２ 逆バイアス電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】