特許 7562073 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】2024-09-27

(45)【発行日】2024-10-07

(54)【発明の名称】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】

   H04L 9/12 20060101AFI20240930BHJP

   H04B 10/70 20130101ALI20240930BHJP

【ＦＩ】

H04L9/12

H04B10/70

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022578362

(86)(22)【出願日】2022-01-24

(86)【国際出願番号】 JP2022002431

(87)【国際公開番号】W WO2022163575

(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 2021013984

(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】青木 重徳

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１０６９７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１０７８４４８５（ＣＮ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５３９３２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２００１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１３２６０９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００４－１０４７７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１３３２８８０６（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｌ ９／１２

Ｈ０４Ｂ １０／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

量子信号が入射し、前記量子信号を復号する復号部と、
前記復号部から出力される復号された量子信号の光子を検出する複数の検出器と、
前記複数の検出器での光子の検出結果に基づいて、前記復号された量子信号のビットを検出する信号処理部と、
１つの符号化基底に対応する２つの前記復号された量子信号の出力先を、前記１つの符号化基底に対応する、対を構成する２つの前記検出器の中で切り替え、かつ、前記対を構成する２つの検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替える切替処理を行う制御部と、を備える、
受信装置。

【請求項2】

前記受信装置に入射する前記量子信号に含まれる光パルスは、第１の符号化基底では位相が０又はπだけシフトされ、第２の符号化基底では位相がπ／２又は３π／２だけシフトされ、
前記復号部は、予め位相が変調された第１の光パルスと前記第１の光パルスから所定時間だけ遅延した第２の光パルスを含む量子信号が入射し、前記第１の光パルスを前記所定時間だけ遅延させ、かつ、前記第２の光パルスの位相を変調し、遅延させた前記第１の光パルスと変調した前記第２の光パルスとを逆位相又は同位相で干渉させて、前記復号された量子信号を出力する干渉計として構成され、
前記制御部は、前記切替処理において、前記干渉計での前記第２の光パルスの位相シフトが０又はπとなるように切り替える、
請求項１に記載の受信装置。

【請求項3】

前記復号部は、マッハツェンダ干渉計として構成され、
前記複数の検出器は、前記対となる２つの検出器である第１及び第２の検出器を含み、
前記マッハツェンダ干渉計は、伝搬する前記量子信号を遅延させる第１の経路と、
伝搬する前記量子信号を位相変調する位相変調器が設けられた第２の経路と、
前記量子信号を前記第１及び第２の経路へ分波する分波器と、
前記第１及び第２の経路を通過した前記量子信号が逆位相で干渉して得られた前記復号された量子信号を前記第１の検出器へ出力し、同位相で干渉して得られた前記復号された量子信号を前記第２の検出器へ出力する合分波器と、を備え、
前記制御部は、前記切替処理において、前記位相変調器での前記第２の光パルスの位相シフトが０又はπとなるように切り替え、かつ、前記第１及び第２の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替える、
請求項２に記載の受信装置。

【請求項4】

前記量子信号は、第１及び第２の符号化基底に基づいて符号化され、
前記復号部は、前記第１の符号化基底に対応する第１及び第２の復号信号と、前記第２の符号化基底に対応する第３及び第４の復号信号と、を出力し、
前記複数の検出器は、前記第１の符号化基底に対応する第１及び第２の検出器と、前記第２の符号化基底に対応する第３及び第４の検出器と、を含み、
前記制御部は、前記切替処理において、
前記第１及び第２の復号信号の出力先を前記第１及び第２の検出器の中で切り替えるともに、前記第１及び第２の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替え、
前記第３及び第４の復号信号の出力先を前記第３及び第４の検出器の中で切り替えるともに、前記第３及び第４の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替える、
請求項１に記載の受信装置。

【請求項5】

前記復号部と前記第１及び第２の検出器との間に挿入され、前記制御部からの第１の制御信号に応じて、前記第１及び第２の復号信号のそれぞれの出力先を前記第１及び第２の検出器の中で切り替え可能な第１の光スイッチと、
前記復号部と前記第３及び第４の検出器との間に挿入され、前記制御部からの第２の制御信号に応じて、前記第３及び第４の復号信号のそれぞれの出力先を前記第３及び第４の検出器の中で切り替え可能な第２の光スイッチと、を備え、
前記制御部は、前記切替処理において、
第１のモードでは、前記第１～第４の復号信号の出力先が、それぞれ前記第１～第４の検出器になるように、前記第１及び第２の光スイッチを制御し、
第２のモードでは、前記第１の復号信号の出力先が前記第２の検出器になるように、かつ、前記第２の復号信号の出力先が前記第１の検出器になるように前記第１の光スイッチを制御し、前記第３の復号信号の出力先が前記第４の検出器になるように、かつ、前記第４の復号信号の出力先が前記第３の検出器になるように前記第２の光スイッチを制御し、
前記第１のモードと前記第２のモードとの間での切り替えを行うときに、前記第１及び第２の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを入れ替え、前記第３及び第４の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを入れ替える、
請求項４に記載の受信装置。

【請求項6】

前記第１の光スイッチは、第１及び第２の入力に前記第１及び第２の復号信号がそれぞれ入力され、第１及び第２の出力が前記第１及び第２の検出器とそれぞれ接続され、
前記第２の光スイッチは、第３及び第４の入力に前記第３及び第４の復号信号がそれぞれ入力され、第３及び第４の出力が前記第３及び第４の検出器とそれぞれ接続され、
前記制御部は、前記切替処理において、
第１のモードでは、前記第１及び第２の入力がそれぞれ前記第１及び第２の出力と接続されるように前記第１の光スイッチを制御し、前記第３及び第４の入力がそれぞれ前記第３及び第４の出力と接続されるように前記第２の光スイッチを制御し
第２のモードでは、前記第１の入力と前記第２の出力とが接続され、かつ、前記第２の入力と前記第１の出力とが接続されるように前記第１の光スイッチを制御し、前記第３の入力と前記第４の出力とが接続され、かつ、前記第４の入力と前記第３の出力とが接続されるように前記第２の光スイッチを制御する、
請求項５に記載の受信装置。

【請求項7】

前記複数の検出器は、前記対となる２つの検出器である第１及び第２の検出器を含み、
前記受信装置に入射する量子信号に含まれる光パルスは、第１の符号化基底では第１又は第２の偏波状態となるように偏波変調され、第２の符号化基底では第３又は第４の偏波状態となるように偏波変調され、
前記復号部は、
前記量子信号の前記光パルスを偏波変調して前記第１及び第２の偏波状態の光パルスを出力する偏波変調器と、
前記第１の偏波状態の光パルスを前記第１の検出器へ出力し、前記第２の偏波状態の光パルスを前記第２の検出器へ出力する偏波分離部と、を備え、
前記制御部は、前記切替処理において、
第１のモードでは、前記第３及び第４の偏波状態の光パルスをそれぞれ前記第１及び第２の偏波状態の光パルスにする偏波変調をランダムに行うように、前記偏波変調器を制御し、
第２のモードでは、前記第１及び第２の偏波状態の光パルスをそれぞれ前記第２及び第１の偏波状態の光パルスにし、前記第３及び第４の偏波状態の光パルスをそれぞれ前記第２及び第１の偏波状態の光パルスにする偏波変調をランダムに行うように、前記偏波変調器を制御し、
前記第１のモードと前記第２のモードとの間での切り替えを行うときに、前記第１及び第２の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを入れ替える、
請求項１に記載の受信装置。

【請求項8】

前記受信装置に入射する量子信号に含まれる光パルスは、第１の符号化基底では第１又は第２の偏波状態となるように偏波変調され、第２の符号化基底では第３又は第４の偏波状態となるように偏波変調され、
前記複数の検出器は、前記第１の符号化基底に対応する第１及び第２の検出器と、前記第２の符号化基底に対応する第３及び第４の検出器と、を含み、
前記復号部は、
前記入射する量子信号を分波する分波器と、
前記分波器で分波された一方の光パルスを前記第１及び第２の偏波状態の第１及び第２の光パルスに偏波分離する第１の偏波分離部と、
前記分波器で分波された他方の光パルスを前記第３及び第４の偏波状態の第３及び第４の光パルスに偏波分離する第２の偏波分離部と、
前記第１の偏波分離部と前記第１及び第２の検出器との間に挿入され、前記制御部からの制御に応じて、前記第１及び第２の光パルスのそれぞれの出力先を前記第１及び第２の検出器の中で切り替え可能な第３の光スイッチと、
前記第２の偏波分離部と前記第３及び第４の検出器との間に挿入され、前記制御部からの制御に応じて、前記第３及び第４の光パルスのそれぞれの出力先を前記第３及び第４の検出器の中で切り替え可能な第４の光スイッチと、を備え、
前記制御部は、前記切替処理において、前記第１及び第２の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替え、前記第３及び第４の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替える、
請求項１に記載の受信装置。

【請求項9】

量子鍵配送に用いる量子信号を出力する送信装置と、
前記量子信号を受信する受信装置と、を備え、
前記受信装置は、
前記量子信号が入射し、前記量子信号を復号する復号部と、
前記復号部から出力される復号された量子信号の光子を検出する複数の検出器と、
前記複数の検出器での光子の検出結果に基づいて、前記復号された量子信号のビットを検出する信号処理部と、
１つの符号化基底に対応する２つの前記復号された量子信号の出力先を、前記１つの符号化基底に対応する、対を構成する２つの前記検出器の中で切り替え、かつ、前記対を構成する２つの検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替える切替処理を行う制御部と、を備える、
量子鍵配送システム。

【請求項10】

入射した量子信号を復号し、
復号された量子信号の光子を複数の検出器で検出し、
前記複数の検出器での光子の検出結果に基づいて、前記復号された量子信号のビットを検出し、
１つの符号化基底に対応する２つの前記復号された量子信号の出力先を、前記１つの符号化基底に対応する、対を構成する２つの前記検出器の中で切り替え、かつ、前記対を構成する２つの検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて検出するビットを切り替える、
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、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、量子鍵配送の利用が注目されている（特許文献１及び２）。

【0003】

これに対し、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】

【0004】

【文献】特開２０１１－７５５７７号公報

【文献】特開２０１９－１２５９６１号公報

【非特許文献】

【0005】

【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】

【0006】

一般に、量子鍵配送においては、量子信号を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、量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。

【0007】

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に逆バイアスを印加する（例えば、特許文献１）。図２０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を厳密に一致させることは困難であり、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生じる。この時間差が大きくなるにつれて、ＡＰＤの光子の検出効率は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。

【0008】

量子鍵配送では複数の光子検出器（ＡＰＤ）を用いるが、量子信号を正確に検出するには、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２１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２１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２１に示すように、同じタイミング（例えば、図２１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。

【0009】

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、タイムシフト攻撃によって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。

【0010】

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】

【0011】

本発明の一態様である受信装置は、量子信号が入射し、前記量子信号を復号する復号部と、前記復号部から出力される復号された量子信号の光子を検出する複数の検出器と、前記複数の検出器での光子の検出結果に基づいて、前記復号された量子信号のビットを検出する信号処理部と、１つの符号化基底に対応する２つの前記復号された量子信号の出力先を、前記１つの符号化基底に対応する、対を構成する２つの前記検出器の中で切り替え、かつ、前記対を構成する２つの検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替える切替処理を行う制御部と、を備えるものである。

【0012】

本発明の一態様である量子鍵配送システムは、量子鍵配送に用いる量子信号を出力する送信装置と、前記量子信号を受信する受信装置と、を備え、前記受信装置は、前記量子信号が入射し、前記量子信号を復号する復号部と、前記復号部から出力される復号された量子信号の光子を検出する複数の検出器と、前記複数の検出器での光子の検出結果に基づいて、前記復号された量子信号のビットを検出する信号処理部と、１つの符号化基底に対応する２つの前記復号された量子信号の出力先を、前記１つの符号化基底に対応する、対を構成する２つの前記検出器の中で切り替え、かつ、前記対を構成する２つの検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替える切替処理を行う制御部と、を備えるものである。

【0013】

本発明の一態様である量子信号の検出方法は、入射した量子信号を復号し、復号された量子信号の光子を複数の検出器で検出し、前記複数の検出器での光子の検出結果に基づいて、前記復号された量子信号のビットを検出し、１つの符号化基底に対応する２つの前記復号された量子信号の出力先を、前記１つの符号化基底に対応する、対を構成する２つの前記検出器の中で切り替え、かつ、前記対を構成する２つの検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて検出するビットを切り替えるものである。

【発明の効果】

【0014】

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】

【0015】

【図1】実施の形態１にかかる量子鍵配送システムの構成を模式的に示す図である。

【図2】実施の形態１にかかる送信装置の構成を模式的に示す図である。

【図3】符号化基底とビットとの対応関係を示す図である。

【図4】実施の形態１にかかる受信装置の構成を模式的に示す図である。

【図5】実施の形態２にかかる量子鍵配送システムの構成を模式的に示す図である。

【図6】実施の形態２にかかる送信装置の構成を模式的に示す図である。

【図7】実施の形態２にかかる受信装置の構成を模式的に示す図である。

【図8】実施の形態２にかかる受信装置での第１のモードにおける光パルスの経路を示す図である。

【図9】実施の形態２にかかる受信装置での第２のモードにおける光パルスの経路を示す図である。

【図10】実施の形態２にかかる受信装置の変形例を示す図である。

【図11】実施の形態２にかかる受信装置の変形例での第１のモードにおける光パルスの経路を示す図である。

【図12】実施の形態２にかかる受信装置の変形例での第２のモードにおける光パルスの経路を示す図である。

【図13】実施の形態３にかかる量子鍵配送システムの構成を模式的に示す図である。

【図14】実施の形態３にかかる送信装置の構成を模式的に示す図である。

【図15】符号化基底とビットとの対応関係を示す図である。

【図16】実施の形態３にかかる受信装置の構成を模式的に示す図である。

【図17】光パルスの偏波面と光パルスを検出する単一光子検出器との関係を示す図である。

【図18】実施の形態３にかかる受信装置の第１の変形例の構成を模式的に示す図である。

【図19】実施の形態３にかかる受信装置の第２の変形例の構成を模式的に示す図である。

【図20】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21】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】

【0016】

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。

【0017】

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について説明する。図１に、実施の形態１にかかる量子鍵配送システム１０００の構成を模式的に示す。量子鍵配送システム１０００は、位相エンコードのＢＢ８４プロトコルが適用されたものとして構成され、送信装置１００、受信装置２００、伝送路１００１及び１００２を有する。

【0018】

送信装置１００は、秘匿通信路として構成される伝送路１００１を介して、量子信号やその他の信号（例えば、同期信号）を受信装置２００へ送信する。また、送信装置１００及び受信装置２００は、公開通信路である伝送路１００２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。

【0019】

図２に、実施の形態１にかかる送信装置１００の構成を模式的に示す。送信装置１００は、光源１及び干渉計１０を有する。

【0020】

光源１は、所定の波長の単色光である、所定の強度の光パルスＰＬを生成する。光源１は、例えば半導体レーザモジュールとして構成してもよいが、これに限定されるものではない。光源１は、制御回路（不図示）によって駆動され、一定間隔（例えば数ナノ秒間隔程度）で光パルスを生成する。なお、光パルスＰＬの強度は、任意の方法によって所定の強度に調整可能である。例えば、光源１に光アッテネータや強度変調器を設けることで光パルスＰＬの強度を調整してもよいし、光源１の外部に図示しない光アッテネータや強度変調器を設けて光パルスＰＬの強度を調整してもよい。なお、ここでいう所定の強度とは、量子鍵配送に用いるのに適した程度に微弱な強度を意味することは、言うまでもない。

【0021】

干渉計１０は、光導波路１１～１４、分波器１５及び合波器１６を有する、非対称のマッハツェンダ干渉計として構成される。干渉計１０の入力１０Ａと分波器１５の入力との間は、光導波路１１で接続される。分波器１５の２つの出力の一方と、合波器１６の２つの入力の一方とは、光導波路１２で接続される。分波器１５の２つの出力の他方と、合波器１６の２つの入力の他方とは、光導波路１３で接続される。合波器１６の出力と干渉計１０の出力１０Ｂとの間は、光導波路１４で接続される。例えば、光導波路１３は、光導波路１２よりも光路長が長い導波路として構成される。

【0022】

光導波路１２には、位相変調器１７が設けられる。位相変調器１７は、例えば一般的なＬＮ変調器などを用いてもよいが、これに限定されるものではない。

【0023】

干渉計１０の入力１０Ａには、光源１から出力された光パルスＰＬが入射する。入射した光パルスＰＬは、分波器１５によって、光導波路１２を伝搬する光パルスＰＬ１と、光導波路１３を伝搬する光パルスＰＬ２とに分波される。

【0024】

光導波路１３を伝搬する光パルスＰＬ２は、光導波路１３が光導波路１２よりも光路長が長いため、光導波路１２を伝搬する光パルスＰＬ１よりもΔｔだけ遅延して、合波器１６に入射する。光パルスＰＬ２は、光パルスＰＬ１に対してΔｔだけ遅延して伝搬するため、以下では、光パルスＰＬ１を前パルス（第１の光パルスとも称する）ＰＬ１、光パルスＰＬ２を後パルス（第２の光パルスとも称する）ＰＬ２と称する。

【0025】

光導波路１２を伝搬する前パルスＰＬ１は、位相変調器１７で位相が変調される。位相変調器１７は、前パルスＰＬ１が入力されるごとに、２つの符号化基底の一方をランダムに選択し、選択した符号化基底を用いて前パルスＰＬ１の位相を変調する。図３に、符号化基底とビットとの対応関係を示す。第１の符号化基底（例えばＺ基底）では、前パルスＰＬ１の位相シフトが０の場合がビット「０」、前パルスＰＬ１の位相シフトがπの場合がビット「１」に対応する。第２の符号化基底（例えばＹ基底）では、前パルスＰＬ１の位相シフトがπ／２の場合がビット「０」、前パルスＰＬ１の位相シフトが３π／２の場合がビット「１」に対応する。

【0026】

第１の符号化基底（例えばＺ基底）を選択した場合、位相変調器１７は、前パルスＰＬ１を符号化するため、前パルスＰＬ１の位相を０又はπだけシフトさせる。第２の符号化基底（例えばＹ基底）を選択した場合、位相変調器１７は、前パルスＰＬ１を符号化するため、前パルスＰＬ１の位相をπ／２又は３π／２だけシフトさせる。位相が変調された前パルスＰＬ１は、光導波路１２を伝搬して合波器１６に入射する。

【0027】

合波器１６は、前パルスＰＬ１及び後パルスＰＬ２を合波して、光導波路１４に結合する。これにより、前パルスＰＬ１及び後パルスＰＬ２は、２連光パルスとなって、伝送路１００１を通じて受信装置２００へ向けて送信される。

【0028】

図４に、実施の形態１にかかる受信装置２００の構成を模式的に示す。受信装置２００は、干渉計２０、２つの単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ２（第１及び第２の検出器とも称する）、制御部２及び信号処理部３を有する。なお、以下では、単一光子検出器としては、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いる。

【0029】

干渉計２０は、光導波路２１～２３、分波器２５、合分波器２６及び位相変調器２７を有する、量子信号を復号する非対称のマッハツェンダ干渉計からなる復号部として構成される。干渉計２０の入力２０Ａと分波器２５の入力との間は、光導波路２１で接続される。分波器２５の２つの出力の一方と、合分波器２６の２つの入力の一方とは、光導波路２２（第１の経路とも称する）で接続される。分波器２５の２つの出力の他方と、合分波器２６の２つの入力の他方とは、光導波路２３（第２の経路とも称する）で接続される。合分波器２６の一方の出力は光導波路２４Ａによって単一光子検出器ＰＤ１と接続され、他方の出力は光導波路２４Ｂによって単一光子検出器ＰＤ２と接続される。光導波路２２は、光導波路２３よりも光路長が長い導波路として構成される。

【0030】

光導波路２３には、位相変調器２７が挿入される。位相変調器２７は、例えば一般的なＬＮ変調器などを用いてもよいが、これに限定されるものではない。

【0031】

干渉計２０の入力２０Ａには、送信装置１００から出力された２連光パルスが入射する。入射した２連光パルスは、分波器２５によって、光導波路２２を伝搬する２連光パルスと、光導波路２３を伝搬する２連光パルスとに分波される。

【0032】

光導波路２２は、伝搬する光パルスが光導波路２３を伝搬する光パルスよりもΔｔだけ遅延する光路長を有している。これにより、光導波路２２を伝搬する２連光パルスは、光導波路２３を伝搬する２連光パルスよりもΔｔだけ遅延して合分波器２６に入射する。

【0033】

光導波路２３を伝搬する２連光パルスは、位相変調器２７で位相が変調される。位相変調器２７は、２連光パルスが入力されるごとに、２つの符号化基底の一方をランダムに選択し、選択した符号化基底を用いて後パルスＰＬ２の位相を０又はπ／２だけ変調する。

【0034】

具体的には、第１の符号化基底（例えばＺ基底）を選択した場合、位相変調器２７は、光パルスＰＬ２の位相を０だけシフトさせる（すなわち、無変調）。第２の符号化基底（例えばＹ基底）を選択した場合、位相変調器２７は、後パルスＰＬ２の位相をπ／２だけシフトさせる。位相が変調された後パルスＰＬ２は、光導波路２３を伝搬して合分波器２６に入射する。

【0035】

光導波路２２を通過した２連光パルスと光導波路２３を通過した２連光パルスとは、合分波器２６で合波されて、３連光パルスを形成する。この３連光パルスでは、光導波路２３を通過した前パルスＰＬ１が先頭パルスとなり、光導波路２２を通過した後パルスＰＬ２が最後尾パルスとなる。光導波路２３で変調された後パルスＰＬ２と、光導波路２２を通過した前パルスＰＬ１とは、互いに干渉して、先頭パルスと最後尾パルスとの間に中央パルスを形成する。

【0036】

中央パルスの光子が単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ２のいずれで検出されるかは、位相変調器１７による位相シフトと位相変調器２７による位相シフトとに依存する。換言すれば、合分波器２６において、位相変調器２７で変調された後パルスＰＬ２と光導波路２２を通過した前パルスＰＬ１とが、同位相で干渉するか、逆位相で干渉するかに依存する。本構成では同位相で干渉した場合には、中央パルスは光導波路２４Ａを伝搬して単一光子検出器ＰＤ１で光子が検出され、逆位相で干渉した場合には、中央パルスは光導波路２４Ｂを伝搬して単一光子検出器ＰＤ２で光子が検出されるものとする。単一光子検出器ＰＤ１で光子が検出された場合には、単一光子検出器ＰＤ１の検出信号に応じて信号処理部３がビット情報「０」を取得する。単一光子検出器ＰＤ２で光子が検出された場合には、単一光子検出器ＰＤ２の検出信号に応じて信号処理部３がビット情報「１」を取得する。本構成では、以上のように、２連光パルスとして伝送された量子信号が、干渉計２０によって複号される。

【0037】

干渉計１０での位相シフトが０、干渉計２０での位相シフトが０である場合（第１の組み合わせとも称する）には同位相であるので、単一光子検出器ＰＤ１で光子が検出される。干渉計１０での位相シフトがπ、干渉計２０での位相シフトが０である場合（第２の組み合わせとも称する）には逆位相であるので、単一光子検出器ＰＤ２で光子が検出される。この２つのケースは、送信装置１００及び受信装置２００の両方において、第１の符号化基底（例えば、Ｚ基底）が選択された場合である。

【0038】

干渉計１０での位相シフトがπ／２、干渉計２０での位相シフトがπ／２である場合（第３の組み合わせとも称する）には同位相であるので、単一光子検出器ＰＤ１で光子が検出される。干渉計１０での位相シフトが３π／２、干渉計２０での位相シフトがπ／２である場合（第４の組み合わせとも称する）には逆位相であるので、単一光子検出器ＰＤ２で光子が検出される。この２つのケースは、送信装置１００及び受信装置２００の両方において、第２の符号化基底（例えば、Ｙ基底）が選択された場合である。

【0039】

上記の位相シフトの４つの組み合わせ以外の位相シフトにて変調が行われる場合（すなわち、送信装置１００及び受信装置２００で選択された符号化基底が異なる場合）、単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ２で光子が検出される確率は、それぞれ５０％となる。例えば、干渉計１０での位相シフトが０、干渉計２０での位相シフトがπ／２である場合、単一光子検出器ＰＤ１で光子の検出確率は５０％、単一光子検出器ＰＤ２で光子の検出確率は５０％となる。この場合には、正確な受信はできないので、受信した情報は破棄されて、暗号鍵の生成には用いられない。

【0040】

このように、本構成では、複数の単一光子検出器を用いるが、上述したように、単一光子検出器には、光子検出感度の入射タイミング依存性に個体差が存在する。このような個体差は、例えば、上述のタイムシフト攻撃に対する脆弱性の原因となる。これに対し、複数の単一光子検出器での光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化できれば、タイムシフト攻撃などによる盗聴に対する耐性を向上させることが可能となる。

【0041】

そこで、本構成では、制御部２が干渉計２０に制御信号ＣＯＮ１を与えて位相シフトモードを切り替えて、干渉計２０で光パルスに適用する位相シフトをランダムに反転、換言すれば位相シフトをπだけ変化させ、複数の単一光子検出器での光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化する。

【0042】

ここで、上記で説明した４つの組み合わせ（第１～第４の組み合わせ）で位相シフトを行うモードを第１の位相シフトモードと称する。また、第１の位相シフトモードに対して干渉計２０の位相変調器２７での位相シフトを反転させるモードを第２の位相シフトモードと称する。

【0043】

第１の位相シフトモードにおいて干渉計１０での位相シフトが０、干渉計２０での位相シフトが０である場合（第１の組み合わせ）には同位相であるので、単一光子検出器ＰＤ１で光子（第１の復号信号とも称する）が検出される。これに対して、干渉計２０での位相シフトを反転させた第２の位相シフトモードにおいては、干渉計１０での位相シフトが０、干渉計２０での位相シフトがπで逆位相となるので、単一光子検出器ＰＤ２で光子（第１の復号信号とも称する）が検出される。

【0044】

第１の位相シフトモードにおいて干渉計１０での位相シフトがπ、干渉計２０での位相シフトが０である場合（第２の組み合わせ）には、単一光子検出器ＰＤ２で光子（第２の復号信号とも称する）が検出される。これに対して、干渉計２０での位相シフトを反転させた第２の位相シフトモードにおいては、干渉計１０での位相シフトがπ、干渉計２０での位相シフトがπで同位相であるので、単一光子検出器ＰＤ１で光子（第２の復号信号とも称する）が検出される。

【0045】

第１の位相シフトモードにおいて干渉計１０での位相シフトがπ／２、干渉計２０での位相シフトがπ／２である場合（第３の組み合わせ）には、単一光子検出器ＰＤ１で光子（第３の復号信号とも称する）が検出される。これに対して、干渉計２０での位相シフトを反転させた第２の位相シフトモードにおいては、干渉計１０での位相シフトがπ／２、干渉計２０での位相シフトが３π／２で逆位相であるので、単一光子検出器ＰＤ２で光子（第３の復号信号とも称する）が検出される。

【0046】

第１の位相シフトモードにおいて干渉計１０での位相シフトがπ／２、干渉計２０での位相シフトが３π／２である場合（第４の組み合わせ）には、単一光子検出器ＰＤ２で光子（第４の復号信号とも称する）が検出される。これに対して、干渉計２０での位相シフトを反転させた第２の位相シフトモードにおいては、干渉計１０での位相シフトがπ／２、干渉計２０での位相シフトがπ／２で同位相であるので、単一光子検出器ＰＤ１で光子（第４の復号信号とも称する）が検出される。

【0047】

以上のように、第１の位相シフトモード及び第２の位相シフトモードの間で干渉計２０での位相シフトを反転させた場合、干渉計１０での位相シフトが同じでも、光子を検出する単一光子検出器が入れ替わることとなる。

【0048】

これに応じて、制御部２は、信号処理部３に制御信号ＣＯＮ２を与えることで、第１の位相シフトモードで単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ２が検出するビットがそれぞれ０及び１、第２の位相シフトモードで単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ２が検出するビットがそれぞれ１及び０になるように、信号処理部３の処理を制御する。

【0049】

よって、制御部２によって第１の位相シフトモードでの動作と第２の位相シフトモードでの動作をランダムに切り替えて、動作の比率を１：１又はこれに近似する比率とすることで、それぞれの単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化することが可能となる。

【0050】

以上、本構成によれば、単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化して、盗聴を好適に防止することができる。特に、単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を利用したタイムシフト攻撃による盗聴を防止することができる。

【0051】

実施の形態２
実施の形態２にかかる量子鍵配送システム２０００について説明する。図５に、実施の形態２にかかる量子鍵配送システム２０００の構成を模式的に示す。量子鍵配送システム２０００は、量子鍵配送システム１０００の変形例であり、量子鍵配送システム１０００の送信装置１００及び受信装置２００を、それぞれ送信装置３００及び受信装置４００に置換した構成を有する。

【0052】

図６に、実施の形態２にかかる送信装置３００の構成を模式的に示す。送信装置３００は、送信装置１００の干渉計１０を干渉計３０に置換し、かつ、位相変調器４Ａ及び４Ｂを追加した構成を有する。

【0053】

干渉計３０は、干渉計１０から位相変調器１７を除去した構成を有する。

【0054】

干渉計３０の出力１０Ｂと送信装置３００の出力との間には、位相変調器４Ａ及び４Ｂが並列に挿入されている。ここでは、位相変調器４Ａによる位相シフトをφ１、位相変調器４Ｂによる位相シフトをφ２とする。

【0055】

図７に、実施の形態２にかかる受信装置４００の構成を模式的に示す。受信装置４００は、受信装置２００の干渉計２０を干渉計４０に置換し、かつ、光スイッチＳＷ１及びＳＷ２を追加した構成を有する。

【0056】

干渉計４０は、量子信号を復号する復号部として構成され、干渉計２０の位相変調器２７を除去し、かつ、光導波路４１及び４２、分波器４３及び４４を追加した構成を有する。

【0057】

光スイッチＳＷ１（第１の光スイッチとも称する）は、２つの入力ＩＮ１及びＩＮ２（第１及び第２の入力とも称する）と、２つの出力ＯＵＴ１及びＯＵＴ２（第１及び第２の出力とも称する）を有するものとして構成される。光スイッチＳＷ１は、制御部２から与えられる制御信号ＣＯＮ１（第１の制御信号とも称する）に応じて、第１のモードでは入力ＩＮ１と出力ＯＵＴ１とを接続し、入力ＩＮ２と出力ＯＵＴ２とを接続し、第２のモードでは入力ＩＮ１と出力ＯＵＴ２とを接続し、入力ＩＮ２と出力ＯＵＴ１とを接続する。

【0058】

入力ＩＮ１には合分波器２６の２つの出力の一方が接続され、入力ＩＮ２には合分波器２６の２つの出力の他方が接続される。出力ＯＵＴ１は光導波路２４Ａによって単一光子検出器ＰＤ１と接続され、出力ＯＵＴ２は光導波路２４Ｂによって単一光子検出器ＰＤ２と接続される。

【0059】

分波器４３は、光導波路２２に挿入され、光導波路２２を伝搬する光パルスを、光導波路２２と光導波路４１とに分波する。

【0060】

分波器４４は、光導波路２３に挿入され、光導波路２３を伝搬する光パルスを、光導波路２３と光導波路４２とに分波する。

【0061】

光導波路２２は、実施の形態１と同様に、伝搬する光パルスが光導波路２３を伝搬する光パルスよりもΔｔだけ遅延する光路長を有している。これにより、光導波路２２から光スイッチＳＷ１の入力ＩＮ１に入射する２連光パルスの入射タイミングは、光導波路２３から光スイッチＳＷ１の入力ＩＮ２に入射する２連光パルスの入射タイミングよりもΔｔだけ遅延する。

【0062】

光スイッチＳＷ２（第２の光スイッチとも称する）は、２つの入力ＩＮ３及びＩＮ４（第３及び第４の入力とも称する）と、２つの出力ＯＵＴ３及びＯＵＴ４（第３及び第４の出力とも称する）を有するものとして構成される。光スイッチＳＷ２は、制御部２から与えられる制御信号ＣＯＮ３（第２の制御信号とも称する）に応じて、第１のモードでは入力ＩＮ３と出力ＯＵＴ３とを接続し、入力ＩＮ４と出力ＯＵＴ４とを接続し、第２のモードでは入力ＩＮ３と出力ＯＵＴ４とを接続し、入力ＩＮ４と出力ＯＵＴ３とを接続する。

【0063】

入力ＩＮ３には光導波路４１が接続され、入力ＩＮ４には光導波路４２が接続される。出力ＯＵＴ３は光導波路２８Ａによって単一光子検出器ＰＤ３（第３の検出器とも称する）と接続され、出力ＯＵＴ４は光導波路２８Ｂによって単一光子検出器ＰＤ４（第４の検出器とも称する）と接続される。

【0064】

単一光子検出器ＰＤ１～ＰＤ４における光パルス（光子）の検出結果は、信号処理部３へ出力される。

【0065】

次いで、本実施の形態における量子信号の送受信について説明する。まず、送信装置３００の動作を説明する。光導波路１２を通過した前パルスＰＬ１と光導波路１３を通過した後パルスＰＬ２とからなる２連光パルスは、２つに分波されて位相変調器４Ａ及び位相変調器４Ｂに入力される。位相変調器４Ａ及び位相変調器４Ｂは、前パルスＰＬ１及び後パルスＰＬ２のそれぞれに対して、個別に位相の変調を行う。本構成では、位相変調器４Ａによる位相シフトが０又はπ／２（φ１＝｛０，π／２｝）、位相変調器４Ｂによる位相シフトが０又はπ（φ２＝｛０，π｝）であるものとする。これにより、ＢＢ８４プロトコルで求められる非直交４状態を生成する。

【0066】

第１の状態は、前パルスＰＬ１に｛φ１,φ２｝＝｛０、０｝の位相変調を、後パルスＰＬ２に｛φ１，φ２｝＝｛０，π｝の位相変調を行う場合である。この場合、位相変調器４Ａ及び４Ｂから出力される２連光パルスを合波すると、強度が１の前パルスＰＬ１のみが存在する状態となる。

【0067】

第２の状態は、第１の状態と同じ位相変調を逆の順序、つまり、前パルスＰＬ１に｛φ１，φ２｝＝｛０，π｝の位相変調を、後パルスＰＬ２に｛φ１，φ２｝＝｛０，０｝の位相変調を行う場合である。この場合、位相変調器４Ａ及び４Ｂから出力される２連光パルスを合波すると、強度が１の後パルスＰＬ２のみが存在する状態となる。

【0068】

ここでは、第１及び第２の状態を「Ｚ基底に属する２状態」と称し、第１の状態にビット「０」、第２の状態にビット「１」を割り当てる。第１及び第２の状態は直交状態となっているため、測定によって両者を容易に識別できる。

【0069】

第３の状態は、２連光パルスの前パルスＰＬ１に｛φ１ ，φ２｝＝｛π／２，０｝の位相変調を、後パルスＰＬ２に｛φ１，φ２｝＝｛π／２，π｝の位相変調を行う場合である。この場合、位相変調器４Ａ及び４Ｂから出力される２連光パルスを合波すると、強度が１／２で位相がπ／４の前パルスＰＬ１と、強度が１／２で位相が－π／４の後パルスＰＬ２とからなる２連光パルスが存在する状態となる。

【0070】

第４の状態は、第３の状態と同じ位相変調を逆の順序、つまり、２連光パルスの前パルスＰＬ１に｛φ１ ，φ２｝＝｛π／２，π｝の位相変調を、後パルスＰＬ２に｛φ１，φ２｝＝｛π／２，０｝の位相変調を行う場合である。この場合、位相変調器４Ａ及び４Ｂから出力される２連光パルスを合波すると、強度が１／２で位相が－π／４の前パルスＰＬ１と、強度が１／２で位相がπ／４の後パルスＰＬ２とからなる２連光パルスが存在する状態となる。

【0071】

ここでは、第３及び第４の状態を「Ｙ基底に属する２状態」と称し、第３の状態にビット「０」、第４の状態にビット「１」を割り当てる。第３及び第４の状態は直交状態となっているため、測定によって両者を容易に識別できる。

【0072】

なお、Ｚ基底に属する状態とＹ基底に属する状態とは直交していないため、いかなる測定によっても両者を正確に識別することはできない。

【0073】

以上のように、２連光パルスと並列接続された２つの位相変調器によってＢＢ８４プロトコルで求められる非直交４状態を実現することができる。

【0074】

続いて、受信装置４００の動作について説明する。干渉計４０にＹ基底に属する状態の２連光パルスが入射された場合の出力は、実施の形態１と同様に３連光パルスとなり、中央パルスは２つの光パルスの干渉によって生じるパルスとなる。２連光パルスの相対位相は、第３の状態では＋π／２、第４の状態では－π／２であったので、非対称マッハツェンダ干渉計の長尺の光導波路２２を通過した光の位相と、短尺の光導波路２３を通過した光の位相差が＋π／２となるように設計することで、２連光パルスの相対位相は第３の状態ではπ(逆位相)、第４の状態では０(同位相)となる。よって、単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ２のいずれで光子が検出されたかによってＹ基底の２状態を識別することができる。

【0075】

Ｚ基底に属する状態の光パルスが干渉計４０に入射した場合については、当然に識別が可能である。Ｚ基底の第１の状態では、干渉計４０に入射する光パルスは前パルスＰＬ１のみである。第２の状態では、干渉計４０に入射する光パルスは、入射タイミングが第１の状態での前パルスＰＬ１よりも遅い、後パルスＰＬ２のみである。よって、単一光子検出器ＰＤ３の検出タイミングを前パルスＰＬ１、単一光子検出器ＰＤ４の検出タイミングを後パルスＰＬ２に合わせることで、Ｚ基底の２状態を識別することができる。

【0076】

次に、本実施の形態における単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性の平均化について説明する。本構成では、実施の形態１と同様に、ビット「０」を検出する単一光子検出器と、ビット「１」を検出する単一光子検出器とをランダムに入れ替えることで、単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化する。

【0077】

以下、図８に受信装置４００での第１のモードにおける光パルスの経路を示し、図９に受信装置４００での第２のモードにおける光パルスの経路を示す。

【0078】

Ｚ基底にかかる光子検出については、制御部２が光スイッチＳＷ２に制御信号ＣＯＮ３を与えることで入力と出力との間の接続を切り替え、光パルス（光子）の経路を変更することで実現する。第１のモードでは、光スイッチＳＷ２により、第１の状態（ビット０）のときに光導波路４１から入力ＩＮ３に入力する光パルス（光子）が出力ＯＵＴ３を介して単一光子検出器ＰＤ３に導かれ、第２の状態（ビット１）のときに光導波路４２から入力ＩＮ４に入力する光パルス（光子）が出力ＯＵＴ４を介して単一光子検出器ＰＤ４に導かれる。一方、第２のモードでは、光スイッチＳＷ２により、第１の状態（ビット０）のときに光導波路４１から入力ＩＮ３に入力する光パルス（光子）が出力ＯＵＴ４を介して単一光子検出器ＰＤ４に導かれ、第２の状態（ビット１）のときに光導波路４２から入力ＩＮ４に入力する光パルス（光子）が出力ＯＵＴ３を介して単一光子検出器ＰＤ３に導かれる。

【0079】

Ｙ基底にかかる光子検出については、制御部２が光スイッチＳＷ１に制御信号ＣＯＮ１を与えることで入力と出力との間の接続を切り替え、光パルス（光子）の経路を変更することで実現する。第１のモードでは、光スイッチＳＷ１により、第３の状態（ビット０）のときに中央パルス（光子）が単一光子検出器ＰＤ１に導かれ、第４の状態（ビット１）のときに中央パルス（光子）が単一光子検出器ＰＤ２に導かれる。第２のモードでは、光スイッチＳＷ１により、第３の状態（ビット０）のときに中央パルス（光子）が単一光子検出器ＰＤ２に導かれ、第４の状態（ビット１）のときに中央パルス（光子）は単一光子検出器ＰＤ１に導かれる。

【0080】

以上のように、光スイッチを切り替えることで、干渉計１０での位相シフトが同じでも、光子を検出する単一光子検出器が入れ替わることとなる。

【0081】

これに応じて、制御部２は、信号処理部３に制御信号ＣＯＮ２を与えることで、第１のモードで単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ３が検出するビットが０、単一光子検出器ＰＤ２及びＰＤ２が検出するビットが１となるように、かつ、第２のモードで単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ２が検出するビットが１、単一光子検出器ＰＤ２及びＰＤ２が検出するビットが０となるように、モードを切り替える。

【0082】

よって、制御部２によって第１のモードでの動作と第２のモードでの動作をランダムに切り替えて、動作の比率を１：１又はこれに近似する比率とすることで、それぞれの単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化することが可能となる。

【0083】

以上、本構成によれば、単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化して、盗聴を好適に防止することができる。特に、単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を利用したタイムシフト攻撃による盗聴を防止することができる。

【0084】

以上、本実施の形態では、１つの干渉計から、Ｚ基底に対応する単一光子検出器ＰＤ３及びＰＤ４と、Ｙ基底に対応する単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ２と、に光パルスを分配していた。これに対し、光パルスを同様に分配できるならば、受信装置は他の構成としてもよい。

【0085】

図１０に、実施の形態２にかかる受信装置の変形例を示す。図１０の受信装置４１０は、受信装置４００の干渉計４０を干渉計４０Ａに置換し、かつ、分波器７及び分岐回路４０Ｂを追加した構成を有する。本構成では、干渉計４０Ａ及び分岐回路４０Ｂは、量子信号を復号する復号部を構成する。

【0086】

干渉計４０Ａは、干渉計４０に挿入される分波器４３及び４４を除去した構成を有する。そのため、分波器４３及び４４に接続される光導波路４１及び４２も除去されている。よって、本構成では、分岐回路４０Ｂを介して、光スイッチＳＷ２に光パルスを入力している。

【0087】

受信装置４１０に入力した２連光パルスは、まず分波器７で分波され、分波された２連パルスは、干渉計４０Ａ及び分岐回路４０Ｂに入力される。

【0088】

分岐回路４０Ｂは、干渉計２０の光導波路２２を光導波路２９に置換し、かつ、干渉計２０から合分波器２６を除去した構成を有する。光導波路２９は、光導波路２２から遅延経路を除去した構成を有する。分岐回路４０Ｂの光導波路２９は、光スイッチＳＷ２の入力ＩＮ３と接続され、光導波路２３は光スイッチＳＷ２の入力ＩＮ４に接続される。

【0089】

次に、受信装置４１０の動作について説明する。図１１に受信装置４１０での第１のモードにおける光パルスの経路を示し、図１２に受信装置４１０での第２のモードにおける光パルスの経路を示す。

【0090】

Ｚ基底にかかる光子検出については、受信装置４００と同様に、制御部２が光スイッチＳＷ２に制御信号ＣＯＮ３を与えることで入力と出力との間の接続を切り替え、光パルス（光子）の経路を変更することで実現する。第１のモードでは、光スイッチＳＷ２により、第１の状態（ビット０）のときに光導波路２９から入力ＩＮ３に入力する光パルス（光子）が出力ＯＵＴ３を介して単一光子検出器ＰＤ３に導かれ、第２の状態（ビット１）のときに光導波路２３から入力ＩＮ４に入力する光パルス（光子）が出力ＯＵＴ４を介して単一光子検出器ＰＤ４に導かれる。一方、第２のモードでは、光スイッチＳＷ２により、第１の状態（ビット０）のときに光導波路２９から入力ＩＮ３に入力する光パルス（光子）が出力ＯＵＴ４を介して単一光子検出器ＰＤ４に導かれ、第２の状態（ビット１）のときに光導波路２３から入力ＩＮ４に入力する光パルス（光子）が出力ＯＵＴ３を介して単一光子検出器ＰＤ３に導かれる。

【0091】

Ｙ基底にかかる光子検出については、受信装置４００と同様に、制御部２が光スイッチＳＷ１に制御信号ＣＯＮ１を与えることで入力と出力との間の接続を切り替え、光パルス（光子）の経路を変更することで実現する。このときの光パルスの経路は受信装置４００と同様であるので、説明を省略する。

【0092】

また、制御部２による信号処理部３の制御についても、受信装置４００と同様であるので、説明を省略する。

【0093】

以上、本構成によっても、制御部２によって第１のモードでの動作と第２のモードでの動作をランダムに切り替えて、動作の比率を１：１又はこれに近似する比率とすることで、それぞれの単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化することが可能となる。かつ、単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化して、タイムシフト攻撃による盗聴を防止することができる。

【0094】

実施の形態３
上述の実施の形態では、位相エンコードＢＢ８４プロトコルが適用される構成について説明したが、本実施の形態では偏波エンコードＢＢ８４プロトコルが適用される構成について説明する。図１３に、実施の形態３にかかる量子鍵配送システム３０００の構成を模式的に示す。量子鍵配送システム３０００は、送信装置５００及び受信装置６００を有する。

【0095】

図１４に、実施の形態３にかかる送信装置５００の構成を模式的に示す。送信装置５００は、光源１及び偏波変調器５を有する。光源１は、上述の実施の形態のものと同様であるので、説明を省略する。

【0096】

偏波変調器５は、光パルスＰＬが入力されるごとに、２つの符号化基底の一方をランダムに選択し、選択した符号化基底を用いて光パルスＰＬを偏波変調する。図１５に、符号化基底とビットとの対応関係を示す。第１の符号化基底（例えば直線基底）では、光パルスＰＬがＨ偏波の場合がビット「０」、光パルスＰＬがＶ偏波の場合がビット「１」に対応する。第２の符号化基底（例えば斜め基底）では、光パルスＰＬの偏波面が４５°の場合がビット「０」、光パルスＰＬの偏光面が１３５°の場合ビット「１」に対応する。以下では、偏波面が０°、９０°、４５°及び１３５°の状態を、それぞれ第１～第４の偏波状態と称する。

【0097】

第１の符号化基底（例えば直線基底）を選択した場合、偏波変調器５は、光パルスＰＬを符号化するため、光パルスＰＬをＨ偏波又はＶ偏波に変調する。第２の符号化基底（例えば斜め基底）を選択した場合、偏波変調器５は、光パルスＰＬを符号化するため、光パルスＰＬの偏波面が４５°又は１３５°となるように偏波変調する。偏波変調された光パルスＰＬは、伝送路１００１を介して、量子信号Ｑとして受信装置６００に送信される。

【0098】

図１６に、実施の形態３にかかる受信装置６００の構成を模式的に示す。受信装置６００は、偏波変調器６１、偏波ビームスプリッタ６２、単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ２、制御部２及び信号処理部３を有する。本構成では、偏波変調器６１及び偏波ビームスプリッタ６２は、量子信号を復号する復号部を構成する。

【0099】

偏波変調器６１は、光パルスＰＬが入力されるごとに、光パルスＰＬの偏光面を回転させる変調をランダムに行う。偏波面の回転角については、後述する。

【0100】

偏波ビームスプリッタ６２は、単一光子検出器ＰＤ１へ向けてＨ偏波の光パルスを選択的に通過させ、かつ、単一光子検出器ＰＤ２へ向けてＶ偏波の光パルスを選択的に反射する。

【0101】

単一光子検出器ＰＤ１はＨ偏波の光パルス（光子）を検出し、単一光子検出器ＰＤ２は、Ｖ偏波の光パルス（光子）を検出する。

【0102】

制御部２は、制御信号ＣＯＮ１によって偏波変調器６１の動作を制御し、制御信号ＣＯＮ２によって単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ２の動作を制御する。

【0103】

次いで、受信装置６００に動作について説明する。制御部２は、偏波変調を行ったときの偏波面の回転角が０°又は－４５°（第１のモード）又は９０°又は４５°（第２のモード）となるように偏波変調器６１を制御する。また、第１のモードでは、制御部２は、単一光子検出器ＰＤ１で検出した光パルス（光子）がＨ偏波又は偏波面が４５°の偏波に対応し、単一光子検出器ＰＤ２で検出した光パルス（光子）がＶ偏波又は偏波面が１３５°の偏波に対応するものとして処理されるように、信号処理部３を制御する。第２のモードでは、制御部２は、単一光子検出器ＰＤ１で検出した光パルス（光子）がＶ偏波又は偏波面が１３５°の偏波に対応するように、単一光子検出器ＰＤ２で検出した光パルス（光子）がＨ偏波又は偏波面が４５°の偏波に対応するものとして処理されるように、信号処理部３を制御する。

【0104】

第１のモードにおける光パルス（光子）の検出について具体的に説明する。送信装置５００において直線基底が選択され、かつ、偏波変調器６１での偏波の回転角が０°の場合には、Ｈ偏波の光パルスが入力されると、単一光子検出器ＰＤ１にＨ偏波の光パルス（光子）がそのまま入射し、単一光子検出器ＰＤ１で検出された光パルスはＨ偏波の光パルスとして処理される。また、Ｖ偏波の光パルスが入力されると、単一光子検出器ＰＤ２にＶ偏波の光パルス（光子）がそのまま入射し、単一光子検出器ＰＤ２で検出された光パルスはＶ偏波の光パルスとして処理される。これに対し、偏波変調器６１での偏波の回転角が－４５°の場合には、偏波ビームスプリッタ６２には斜め偏波（－４５°（換言すれば、１３５°）又は４５°）の光パルスが入射する。そのため、偏波ビームスプリッタ６２で適切な偏波分離を行うことができず、単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ２では光パルス（光子）を適切に検出することはできない。

【0105】

送信装置５００において斜め基底が選択され、かつ、偏波変調器６１での偏波の回転角が０°の場合には、偏波ビームスプリッタ６２には斜め偏波（４５°又は１３５°）の光パルスがそのまま入射する。そのため、偏波ビームスプリッタ６２で適切な偏波分離を行うことができず、単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ２では光パルス（光子）を適切に検出することはできない。これに対し、偏波変調器６１での偏波の回転角が－４５°の場合には、偏波面が４５°の光パルスが入力されると偏波面が－４５°回転し、例えばＨ偏波の光パルス（光子）として単一光子検出器ＰＤ１に入射し、単一光子検出器ＰＤ１で検出された光パルスは偏波面が４５°の光パルスとして処理される。また、偏波面が１３５°の光パルスが入力されると偏波面が－４５°回転し、例えばＶ偏波の光パルス（光子）として単一光子検出器ＰＤ２に入射し、単一光子検出器ＰＤ２で検出された光パルスは偏波面が１３５°の光パルスとして処理される。

【0106】

次いで、第２のモードにおける光パルス（光子）の検出について具体的に説明する。送信装置において直線基底が選択され、かつ、偏波変調器６１での偏波の回転角が９０°の場合には、Ｈ偏波の光パルスが偏波変調器６１に入射すると偏波面が９０°回転し、Ｖ偏波の光パルス（光子）として単一光子検出器ＰＤ２に入射し、単一光子検出器ＰＤ２で検出された光パルスはＨ偏波の光パルスとして処理される。また、Ｖ偏波の光パルスが偏波変調器６１に入射すると偏波面が９０°回転し、Ｈ偏波の光パルス（光子）として単一光子検出器ＰＤ１に入射し、単一光子検出器ＰＤ１で検出された光パルスはＶ偏波の光パルスとして処理される。これに対し、偏波変調器６１での偏波の回転角が４５°の場合には、偏波ビームスプリッタ６２には斜め偏波（４５°又は１３５°）の光パルスが入射する。そのため、偏波ビームスプリッタ６２で適切な偏波分離を行うことができず、単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ２では光パルス（光子）を適切に検出することはできない。

【0107】

送信装置において斜め基底が選択され、かつ、偏波変調器６１での偏波の回転角が９０°の場合には、偏波ビームスプリッタ６２には斜め偏波（４５°又は１３５°）の光パルスが入射する。そのため、偏波ビームスプリッタ６２で適切な偏波分離を行うことができず、単一光子検出器ＰＤ１及びＰＤ２では光パルス（光子）を適切に検出することはできない。これに対し、偏波変調器６１での偏波の回転角が４５°の場合には、偏波面が４５°の光パルスが入力されると偏波面が４５°回転し、例えばＶ偏波の光パルス（光子）として単一光子検出器ＰＤ２に入射し、単一光子検出器ＰＤ２で検出された光パルスは偏波面が４５°の光パルスとして処理される。また、偏波面が１３５°の光パルスが入力されると偏波面が４５°回転し、例えばＨ偏波の光パルス（光子）として単一光子検出器ＰＤ１に入射し、単一光子検出器ＰＤ１で検出された光パルスは偏波面が１３５°の光パルスとして処理される。

【0108】

図１７に、光パルスの偏波面と光パルスを検出する単一光子検出器との関係を示す。図１６に示すように、第１のモードと第２のモードとで、単一光子検出器ＰＤ１と単一光子検出器ＰＤ２とが検出する光パルスの偏波、すなわちビットが入れ替わっている。また、第１のモードと第２のモードとで、単一光子検出器ＰＤ３と単一光子検出器ＰＤ４とが検出する光パルスの偏波、すなわちビットが入れ替わっている。

【0109】

本構成によれば、制御部２によって第１のモードでの動作と第２のモードでの動作をランダムに切り替えて、動作の比率を１：１又はこれに近似する比率とすることで、上述の実施の形態と同様に、それぞれの単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化することが可能となる。かつ、上述の実施の形態と同様に、単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化して、タイムシフト攻撃による盗聴を防止することができる。

【0110】

なお、受信装置は、図７に示す受信装置４００のように、４つの単一光子検出器ＰＤ１～ＰＤ４を設ける構成とすることも可能である。図１８に、実施の形態３にかかる受信装置の変形例である受信装置６１０の構成を模式的に示す。

【0111】

受信装置６１０は、分波器６３、偏波ビームスプリッタ６４及び６５、１／２波長板６６、単一光子検出器ＰＤ１～ＰＤ４、光スイッチＳＷ１０及びＳＷ２０、制御部２及び信号処理部３を有する。本構成では、分波器６３、偏波ビームスプリッタ６４及び６５、１／２波長板６６、光スイッチＳＷ１０及びＳＷ２０、量子信号を復号する復号部を構成する。

【0112】

分波器６３は、量子信号Ｑを、偏波ビームスプリッタ６４（第１の偏波分離部とも称する）及び１／２波長板６６へ分波する。

【0113】

偏波ビームスプリッタ６４は、量子信号ＱのＨ偏波（０°）の光パルスとＶ偏波の光パルス（９０°）とを分離して光スイッチＳＷ１０へ出力する。

【0114】

１／２波長板６６は、量子信号Ｑの偏波面を－４５°だけ回転させる。これにより、例えば、偏波面が４５°の光パルスはＨ偏波（０°）の光パルスに、偏波面が１３５°の光パルスはＶ偏波（９０°）の光パルスに変換される。

【0115】

偏波ビームスプリッタ６５は、１／２波長板６６から入射するＨ偏波（０°）の光パルスとＶ偏波の光パルス（９０°）とを分離して光スイッチＳＷ２０へ出力する。

【0116】

なお、本構成では、１／２波長板６６及び偏波ビームスプリッタ６５を、第２の偏波分離部とも称する。

【0117】

光スイッチＳＷ１０（第３の光スイッチとも称する）は、２つの入力ＩＮ１１及びＩＮ１２（第５及び第６の入力とも称する）と、２つの出力ＯＵＴ１１及びＯＵＴ１２（第５及び第６の出力とも称する）を有するものとして構成される。入力ＩＮ１１には偏波ビームスプリッタ６４からＨ偏波（０°）の光パルスが入射し、入力ＩＮ１２には偏波ビームスプリッタ６４からＶ偏波（９０°）の光パルスが入射する。出力ＯＵＴ１１は単一光子検出器ＰＤ１と接続され、出力ＯＵＴ１２は単一光子検出器ＰＤ２と接続される。

【0118】

光スイッチＳＷ１０は、制御部２から与えられる制御信号ＣＯＮ１（第１の制御信号とも称する）に応じて、第１のモードでは入力ＩＮ１１と出力ＯＵＴ１１とを接続し、入力ＩＮ１２と出力ＯＵＴ１２とを接続し、第２のモードでは入力ＩＮ１１と出力ＯＵＴ１２とを接続し、入力ＩＮ１２と出力ＯＵＴ１１とを接続する。

【0119】

光スイッチＳＷ２０（第４の光スイッチとも称する）は、２つの入力ＩＮ２１及びＩＮ２２（第７及び第８の入力とも称する）と、２つの出力ＯＵＴ２１及びＯＵＴ２２（第７及び第８の出力とも称する）を有するものとして構成される。入力ＩＮ２１には１／２波長板６６からＨ偏波（０°）の光パルスが入射し、入力ＩＮ２２には１／２波長板６６からＶ偏波（９０°）の光パルスが入射する。出力ＯＵＴ２１は単一光子検出器ＰＤ３と接続され、出力ＯＵＴ２２は単一光子検出器ＰＤ４と接続される。

【0120】

光スイッチＳＷ２０は、制御部２から与えられる制御信号ＣＯＮ１に応じて、第１のモードでは入力ＩＮ２１と出力ＯＵＴ２１とを接続し、入力ＩＮ２２と出力ＯＵＴ２２とを接続し、第２のモードでは入力ＩＮ２１と出力ＯＵＴ２２とを接続し、入力ＩＮ２２と出力ＯＵＴ２１とを接続する。

【0121】

本構成によれば、単一光子検出器ＰＤ１～ＰＤ４は、それぞれＨ偏波（０°の偏波面）、Ｖ偏波（９０°の偏波面）、４５°の偏波面、及び１３５°の偏波面の量子信号Ｑを検出することができる。以下、受信装置６１０の動作について説明する。

【0122】

第１のモードにおける光パルス（光子）の検出について具体的に説明する。第１のモードでは、光スイッチＳＷ１０の入力ＩＮ１１と出力ＯＵＴ１１とが接続され、入力ＩＮ１２と出力ＯＵＴ１２とが接続される。また、光スイッチＳＷ２０の入力ＩＮ２１と出力ＯＵＴ２１とが接続され、入力ＩＮ２２と出力ＯＵＴ２２とが接続される。

【0123】

量子信号ＱとしてＨ偏波の光パルス（光子）が入力されると、Ｈ偏波の光パルスは偏波ビームスプリッタ６４、光スイッチＳＷ１０の入力ＩＮ１１及び出力ＯＵＴ１１を介して単一光子検出器ＰＤ１に入射し、単一光子検出器ＰＤ１で検出された光パルスはＨ偏波の光パルスとして処理される。

【0124】

量子信号ＱとしてＶ偏波の光パルス（光子）が入力されると、Ｖ偏波の光パルスは偏波ビームスプリッタ６４、光スイッチＳＷ１０の入力ＩＮ１２及び出力ＯＵＴ１２を介して単一光子検出器ＰＤ２に入射し、単一光子検出器ＰＤ２で検出された光パルスはＶ偏波の光パルスとして処理される。

【0125】

量子信号Ｑとして偏波面が４５°の光パルス（光子）が入力されると、偏波面が４５°の光パルスは１／２波長板６６によりＨ偏波の光パルスとなる。このＨ偏波の光パルスは、偏波ビームスプリッタ６５、光スイッチＳＷ２０の入力ＩＮ２１及び出力ＯＵＴ２１を介して単一光子検出器ＰＤ３に入射し、単一光子検出器ＰＤ３で検出された光パルスは偏波面が４５°の光パルスとして処理される。

【0126】

量子信号Ｑとして偏波面が１３５°の光パルス（光子）が入力されると、偏波面が１３５°の光パルスは１／２波長板６６によりＶ偏波の光パルスとなる。このＶ偏波の光パルスは、偏波ビームスプリッタ６５、光スイッチＳＷ２０の入力ＩＮ２２及び出力ＯＵＴ２２を介して単一光子検出器ＰＤ４に入射し、単一光子検出器ＰＤ４で検出された光パルスは偏波面が１３５°の光パルスとして処理される。

【0127】

次に、第２のモードにおける光パルス（光子）の検出について具体的に説明する。第２のモードでは、光スイッチＳＷ１０の入力ＩＮ１１と出力ＯＵＴ１２とが接続され、入力ＩＮ１２と出力ＯＵＴ１１とが接続される。また、光スイッチＳＷ２０の入力ＩＮ２１と出力ＯＵＴ２２とが接続され、入力ＩＮ２２と出力ＯＵＴ２１とが接続される。

【0128】

量子信号ＱとしてＨ偏波の光パルスが入力されると、Ｈ偏波の光パルスは偏波ビームスプリッタ６４、光スイッチＳＷ１０の入力ＩＮ１１及び出力ＯＵＴ１２を介して単一光子検出器ＰＤ２に入射し、単一光子検出器ＰＤ２で検出された光パルスはＨ偏波の光パルスとして処理される。

【0129】

量子信号ＱとしてＶ偏波の光パルスが入力されると、Ｖ偏波の光パルスは偏波ビームスプリッタ６４、光スイッチＳＷ１０の入力ＩＮ１２及び出力ＯＵＴ１１を介して単一光子検出器ＰＤ１に入射し、単一光子検出器ＰＤ１で検出された光パルスはＶ偏波の光パルスとして処理される。

【0130】

量子信号Ｑとして偏波面が４５°の光パルスが入力されると、偏波面が４５°の光パルスは１／２波長板６６によりＨ偏波の光パルスとなる。このＨ偏波の光パルスは、偏波ビームスプリッタ６５、光スイッチＳＷ２０の入力ＩＮ２１及び出力ＯＵＴ２２を介して単一光子検出器ＰＤ４に入射し、単一光子検出器ＰＤ４で検出された光パルスは偏波面が４５°の光パルスとして処理される。

【0131】

量子信号Ｑとして偏波面が１３５°の光パルスが入力されると、偏波面が１３５°の光パルスは１／２波長板６６によりＶ偏波の光パルスとなる。このＶ偏波の光パルスは、偏波ビームスプリッタ６５、光スイッチＳＷ２０の入力ＩＮ２２及び出力ＯＵＴ２１を介して単一光子検出器ＰＤ３に入射し、単一光子検出器ＰＤ３で検出された光パルスは偏波面が１３５°の光パルスとして処理される。

【0132】

よって、本構成によれば、図１６に示したように、第１のモードと第２のモードとで、単一光子検出器ＰＤ１と単一光子検出器ＰＤ２とが検出する光パルスの偏波、すなわちビットが入れ替わっている。また、第１のモードと第２のモードとで、単一光子検出器ＰＤ３と単一光子検出器ＰＤ４とが検出する光パルスの偏波、すなわちビットを入れ替えることができる。

【0133】

よって、本構成によれば、制御部２によって第１のモードでの動作と第２のモードでの動作をランダムに切り替えて、動作の比率を１：１又はこれに近似する比率とすることで、それぞれの単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化することが可能となる。かつ、単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化して、タイムシフト攻撃による盗聴を防止することができる。

【0134】

なお、受信装置６１０における入射タイミング依存性の平均化は、他の構成により実現することも可能である。図１９に、受信装置６１０の変形例である受信装置６２０の構成を模式的に示す。

【0135】

受信装置６２０は、受信装置６１０の光スイッチＳＷ１０及びＳＷ２０を除去し、かつ、偏波変調器６７を追加した構成を有する。本構成では、分波器６３、偏波ビームスプリッタ６４及び６５、１／２波長板６６及び偏波変調器６７は、量子信号を復号する復号部を構成する。

【0136】

偏波変調器６７は、量子信号Ｑに対して、制御信号ＣＯＮ１に応じて偏波面を回転させる変調を行う。第１のモードにおける回転角は０°（すなわち無変調）、第２のモードにおける回転角は９０°である。

【0137】

偏波ビームスプリッタ６４は、単一光子検出器ＰＤ１へ向けてＨ偏波の量子信号Ｑを選択的に通過させ、かつ、単一光子検出器ＰＤ２へ向けてＶ偏波の量子信号Ｑを選択的に反射する。

【0138】

偏波ビームスプリッタ６５は、単一光子検出器ＰＤ３へ向けてＨ偏波の光パルスを選択的に通過させ、かつ、単一光子検出器ＰＤ４へ向けてＶ偏波の光パルスを選択的に反射する。

【0139】

受信装置６２０のその他の構成は、受信装置６１０と同様であるので、説明を省略する。以下、受信装置６２０の動作について説明する。

【0140】

第１のモードにおける光パルス（光子）の検出について具体的に説明する。第１のモードでは、偏波変調器６７よる偏波面の回転は０°であるので、Ｈ偏波、Ｖ偏波、偏波面が４５°及び偏波面が１３５°の光パルスは、そのまま分波器６３に入射する。

【0141】

量子信号ＱとしてＨ偏波の光パルス（光子）が入力されると、Ｈ偏波の光パルスは偏波ビームスプリッタ６４を介して単一光子検出器ＰＤ１に入射し、単一光子検出器ＰＤ１で検出された光パルスはＨ偏波の光パルスとして処理される。

【0142】

量子信号ＱとしてＶ偏波の光パルス（光子）が入力されると、Ｖ偏波の光パルスは偏波ビームスプリッタ６４を介して単一光子検出器ＰＤ２に入射し、単一光子検出器ＰＤ２で検出された光パルスはＶ偏波の光パルスとして処理される。

【0143】

量子信号Ｑとして偏波面が４５°の光パルス（光子）が入力されると、偏波面が４５°の光パルスは１／２波長板６６によりＨ偏波の光パルスとなる。このＨ偏波の光パルスは偏波ビームスプリッタ６５を介して単一光子検出器ＰＤ３に入射し、単一光子検出器ＰＤ３で検出された光パルスは偏波面が４５°の光パルスとして処理される。

【0144】

量子信号Ｑとして偏波面が１３５°の光パルス（光子）が入力されると、偏波面が１３５°の光パルスは１／２波長板６６によりＶ偏波の光パルスとなる。このＶ偏波の光パルスは偏波ビームスプリッタ６５を介して単一光子検出器ＰＤ４に入射し、単一光子検出器ＰＤ４で検出された光パルスは偏波面が１３５°の光パルスとして処理される。

【0145】

次に、第２のモードにおける光パルス（光子）の検出について具体的に説明する。第２のモードでは、偏波変調器６７よる偏波面の回転は９０°である。

【0146】

量子信号ＱとしてＨ偏波の光パルスが入力されると偏波変調器６７で偏波面が９０°回転され、Ｖ偏波の光パルスとなる。このＶ偏波の光パルスは偏波ビームスプリッタ６４を介して単一光子検出器ＰＤ２に入射し、単一光子検出器ＰＤ２で検出された光パルスはＨ偏波の光パルスとして処理される。

【0147】

量子信号ＱとしてＶ偏波の光パルスが入力されると偏波変調器６７で偏波面が９０°回転され、Ｈ偏波の光パルスとなる。このＨ偏波の光パルスは偏波ビームスプリッタ６４を介して単一光子検出器ＰＤ１に入射し、単一光子検出器ＰＤ１で検出された光パルスはＶ偏波の光パルスとして処理される。

【0148】

量子信号Ｑとして偏波面が４５°の光パルスが入力されると偏波変調器６７で偏波面が９０°回転され、偏波面が１３５°の光パルスとなる。この偏波面が１３５°の光パルスは、１／２波長板６６によりＶ偏波の光パルスとなる。このＶ偏波の光パルスは偏波ビームスプリッタ６５を介して単一光子検出器ＰＤ４に入射し、単一光子検出器ＰＤ４で検出された光パルスは偏波面が４５°の光パルスとして処理される。

【0149】

量子信号Ｑとして偏波面が１３５°の光パルスが入力されると偏波変調器６７で偏波面が９０°回転され、偏波面が４５°（２２５°）の光パルスとなる。この偏波面が４５°の光パルスは、１／２波長板６６によりＨ偏波の光パルスとなる。このＨ偏波の光パルスは偏波ビームスプリッタ６５を介して単一光子検出器ＰＤ３に入射し、単一光子検出器ＰＤ３で検出された光パルスは偏波面が１３５°の光パルスとして処理される。

【0150】

よって、本構成によれば、受信装置６１０と同様に、第１のモードと第２のモードとで、単一光子検出器ＰＤ１と単一光子検出器ＰＤ２とが検出する光パルスの偏波、すなわちビットが入れ替わっている。また、第１のモードと第２のモードとで、単一光子検出器ＰＤ３と単一光子検出器ＰＤ４とが検出する光パルスの偏波、すなわちビットを入れ替えることができる。

【0151】

よって、本構成によれば、受信装置６１０と同様に、制御部２によって第１のモードでの動作と第２のモードでの動作をランダムに切り替えて、動作の比率を１：１又はこれに近似する比率とすることで、それぞれの単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化することが可能となる。かつ、単一光子検出器の光子検出感度の入射タイミング依存性を平均化して、タイムシフト攻撃による盗聴を防止することができる。

【0152】

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。

【0153】

上述の実施の形態において、位相エンコードＢＢ８４プロトコルを実現する構成及び偏波エンコードＢＢ８４プロトコルを実現する構成は例示に過ぎず、同様の量子鍵配送を実現できる限り、適宜他の構成を取りうることは、言うまでもない。

【0154】

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

【0155】

（付記１）量子信号が入射し、前記量子信号を復号する復号部と、前記復号部から出力される復号された量子信号の光子を検出する複数の検出器と、前記複数の検出器での光子の検出結果に基づいて、前記復号された量子信号のビットを検出する信号処理部と、１つの符号化基底に対応する２つの前記復号された量子信号の出力先を、前記１つの符号化基底に対応する、対を構成する２つの前記検出器の中で切り替え、かつ、前記対を構成する２つの検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替える切替処理を行う制御部と、を備える、受信装置。

【0156】

（付記２）前記受信装置に入射する前記量子信号に含まれる光パルスは、第１の符号化基底では位相が０又はπだけシフトされ、第２の符号化基底では位相がπ／２又は３π／２だけシフトされ、前記復号部は、予め位相が変調された第１の光パルスと前記第１の光パルスから所定時間だけ遅延した第２の光パルスを含む量子信号が入射し、前記第１の光パルスを前記所定時間だけ遅延させ、かつ、前記第２の光パルスの位相を変調し、遅延させた前記第１の光パルスと変調した前記第２の光パルスとを逆位相又は同位相で干渉させて、前記復号された量子信号を出力する干渉計として構成され、前記制御部は、前記切替処理において、前記干渉計での前記第２の光パルスの位相シフトが０又はπとなるように切り替える、付記１に記載の受信装置。

【0157】

（付記３）前記復号部は、マッハツェンダ干渉計として構成され、前記複数の検出器は、前記対となる２つの検出器である第１及び第２の検出器を含み、前記マッハツェンダ干渉計は、伝搬する前記量子信号を遅延させる第１の経路と、伝搬する前記量子信号を位相変調する位相変調器が設けられた第２の経路と、前記量子信号を前記第１及び第２の経路へ分波する分波器と、前記第１及び第２の経路を通過した前記量子信号が逆位相で干渉して得られた前記復号された量子信号を前記第１の検出器へ出力し、同位相で干渉して得られた前記復号された量子信号を前記第２の検出器へ出力する合分波器と、を備え、前記制御部は、前記切替処理において、前記位相変調器での前記第２の光パルスの位相シフトが０又はπとなるように切り替え、かつ、前記第１及び第２の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替える、付記２に記載の受信装置。

【0158】

（付記４）前記量子信号は、第１及び第２の符号化基底に基づいて符号化され、前記復号部は、前記第１の符号化基底に対応する第１及び第２の復号信号と、前記第２の符号化基底に対応する第３及び第４の復号信号と、を出力し、前記複数の検出器は、前記第１の符号化基底に対応する第１及び第２の検出器と、前記第２の符号化基底に対応する第３及び第４の検出器と、を含み、前記制御部は、前記切替処理において、前記第１及び第２の復号信号の出力先を前記第１及び第２の検出器の中で切り替えるともに、前記第１及び第２の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替え、前記第３及び第４の復号信号の出力先を前記第３及び第４の検出器の中で切り替えるともに、前記第３及び第４の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替える、付記１に記載の受信装置。

【0159】

（付記５）前記復号部と前記第１及び第２の検出器との間に挿入され、前記制御部からの第１の制御信号に応じて、前記第１及び第２の復号信号のそれぞれの出力先を前記第１及び第２の検出器の中で切り替え可能な第１の光スイッチと、前記復号部と前記第３及び第４の検出器との間に挿入され、前記制御部からの第２の制御信号に応じて、前記第３及び第４の復号信号のそれぞれの出力先を前記第３及び第４の検出器の中で切り替え可能な第２の光スイッチと、を備え、前記制御部は、前記切替処理において、第１のモードでは、前記第１～第４の復号信号の出力先が、それぞれ前記第１～第４の検出器になるように、前記第１及び第２の光スイッチを制御し、第２のモードでは、前記第１の復号信号の出力先が前記第２の検出器になるように、かつ、前記第２の復号信号の出力先が前記第１の検出器になるように前記第１の光スイッチを制御し、前記第３の復号信号の出力先が前記第４の検出器になるように、かつ、前記第４の復号信号の出力先が前記第３の検出器になるように前記第２の光スイッチを制御し、前記第１のモードと前記第２のモードとの間での切り替えを行うときに、前記第１及び第２の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを入れ替え、前記第３及び第４の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを入れ替える、付記４に記載の受信装置。

【0160】

（付記６）前記第１の光スイッチは、第１及び第２の入力に前記第１及び第２の復号信号がそれぞれ入力され、第１及び第２の出力が前記第１及び第２の検出器とそれぞれ接続され、前記第２の光スイッチは、第３及び第４の入力に前記第３及び第４の復号信号がそれぞれ入力され、第３及び第４の出力が前記第３及び第４の検出器とそれぞれ接続され、前記制御部は、前記切替処理において、第１のモードでは、前記第１及び第２の入力がそれぞれ前記第１及び第２の出力と接続されるように前記第１の光スイッチを制御し、前記第３及び第４の入力がそれぞれ前記第３及び第４の出力と接続されるように前記第２の光スイッチを制御し、第２のモードでは、前記第１の入力と前記第２の出力とが接続され、かつ、前記第２の入力と前記第１の出力とが接続されるように前記第１の光スイッチを制御し、前記第３の入力と前記第４の出力とが接続され、かつ、前記第４の入力と前記第３の出力とが接続されるように前記第２の光スイッチを制御する、付記５に記載の受信装置。

【0161】

（付記７）前記複数の検出器は、前記対となる２つの検出器である第１及び第２の検出器を含み、前記受信装置に入射する量子信号に含まれる光パルスは、第１の符号化基底では第１又は第２の偏波状態となるように偏波変調され、第２の符号化基底では第３又は第４の偏波状態となるように偏波変調され、前記復号部は、前記量子信号の前記光パルスを偏波変調して前記第１及び第２の偏波状態の光パルスを出力する偏波変調器と、前記第１の偏波状態の光パルスを前記第１の検出器へ出力し、前記第２の偏波状態の光パルスを前記第２の検出器へ出力する偏波分離部と、を備え、前記制御部は、前記切替処理において、第１のモードでは、前記第３及び第４の偏波状態の光パルスをそれぞれ前記第１及び第２の偏波状態の光パルスにする偏波変調をランダムに行うように、前記偏波変調器を制御し、第２のモードでは、前記第１及び第２の偏波状態の光パルスをそれぞれ前記第２及び第１の偏波状態の光パルスにし、前記第３及び第４の偏波状態の光パルスをそれぞれ前記第２及び第１の偏波状態の光パルスにする偏波変調をランダムに行うように、前記偏波変調器を制御し、前記第１のモードと前記第２のモードとの間での切り替えを行うときに、前記第１及び第２の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを入れ替える、付記１に記載の受信装置。

【0162】

（付記８）前記受信装置に入射する量子信号に含まれる光パルスは、第１の符号化基底では第１又は第２の偏波状態となるように偏波変調され、第２の符号化基底では第３又は第４の偏波状態となるように偏波変調され、前記複数の検出器は、前記第１の符号化基底に対応する第１及び第２の検出器と、前記第２の符号化基底に対応する第３及び第４の検出器と、を含み、前記復号部は、前記入射する量子信号を分波する分波器と、前記分波器で分波された一方の光パルスを前記第１及び第２の偏波状態の第１及び第２の光パルスに偏波分離する第１の偏波分離部と、前記分波器で分波された他方の光パルスを前記第３及び第４の偏波状態の第３及び第４の光パルスに偏波分離する第２の偏波分離部と、前記第１の偏波分離部と前記第１及び第２の検出器との間に挿入され、前記制御部からの制御に応じて、前記第１及び第２の光パルスのそれぞれの出力先を前記第１及び第２の検出器の中で切り替え可能な第３の光スイッチと、前記第２の偏波分離部と前記第３及び第４の検出器との間に挿入され、前記制御部からの制御に応じて、前記第３及び第４の光パルスのそれぞれの出力先を前記第３及び第４の検出器の中で切り替え可能な第４の光スイッチと、を備え、前記制御部は、前記切替処理において、前記第１及び第２の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替え、前記第３及び第４の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替える、付記１に記載の受信装置。

【0163】

（付記９）前記第３の光スイッチは、第５及び第６の入力に前記第１及び第２の光パルスがそれぞれ入力され、第５及び第６の出力が前記第１及び第２の検出器とそれぞれ接続され、前記第４の光スイッチは、第７及び第８の入力に前記第３及び第４の光パルスがそれぞれ入力され、第７及び第８の出力が前記第３及び第４の検出器とそれぞれ接続され、前記制御部は、前記切替処理において、第１のモードでは、前記第５及び第６の入力がそれぞれ前記第５及び第６の出力と接続されるように前記第３の光スイッチを制御し、前記第７及び第８の入力がそれぞれ前記第７及び第８の出力と接続されるように前記第４の光スイッチを制御し、第２のモードでは、前記第５の入力と前記第６の出力とが接続され、かつ、前記第６の入力と前記第５の出力とが接続されるように前記第３の光スイッチを制御し、前記第７の入力と前記第８の出力とが接続され、かつ、前記第８の入力と前記第７の出力とが接続されるように前記第４の光スイッチを制御し、前記第１のモードと前記第２のモードとの間での切り替えを行うときに、前記第１及び第２の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを入れ替え、前記第３及び第４の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを入れ替える、付記８に記載の受信装置。

【0164】

（付記１０）前記受信装置に入射する量子信号に含まれる光パルスは、第１の符号化基底では第１又は第２の偏波状態となるように偏波変調され、第２の符号化基底では第３又は第４の偏波状態となるように偏波変調され、前記複数の検出器は、前記第１の符号化基底に対応する第１及び第２の検出器と、前記第２の符号化基底に対応する第３及び第４の検出器と、を含み、前記復号部は、前記量子信号の前記光パルスの前記第１及び第２の偏波状態がそれぞれ前記第２及び第１の偏波状態になるように、前記第３及び第４の偏波状態をそれぞれ前記第４及び第３の偏波状態になるように偏波変調可能な偏波変調器と、前記偏波変調器から出力される光パルスを分波する分波器と、前記分波器で分波された一方の光パルスを前記第１及び第２の偏波状態の光パルスに偏波分離し、前記第１の偏波状態の光パルスを前記第１の検出器へ出力し、前記第２の偏波状態の光パルスを前記第２の検出器へ出力する第１の偏波分離部と、前記分波器で分波された他方の光パルスを前記第３及び第４の偏波状態の光パルスに偏波分離し、前記第３の偏波状態の光パルスを前記第３の検出器へ出力し、前記第４の偏波状態の光パルスを前記第４の検出器へ出力する第２の偏波分離部と、前記制御部は、前記切替処理において、前記偏波変調器が前記偏波変調を行うか否かを切り替え、かつ、前記第１及び第２の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替え、前記第３及び第４の検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替える、付記１に記載の受信装置。

【0165】

（付記１１）量子鍵配送に用いる量子信号を出力する送信装置と、前記量子信号を受信する受信装置と、を備え、前記受信装置は、前記量子信号が入射し、前記量子信号を復号する復号部と、前記復号部から出力される復号された量子信号の光子を検出する複数の検出器と、前記複数の検出器での光子の検出結果に基づいて、前記復号された量子信号のビットを検出する信号処理部と、１つの符号化基底に対応する２つの前記復号された量子信号の出力先を、前記１つの符号化基底に対応する、対を構成する２つの前記検出器の中で切り替え、かつ、前記対を構成する２つの検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて前記信号処理部が検出するビットを切り替える切替処理を行う制御部と、を備える、量子鍵配送システム。

【0166】

（付記１２）入射した量子信号を復号し、復号された量子信号の光子を複数の検出器で検出し、前記複数の検出器での光子の検出結果に基づいて、前記復号された量子信号のビットを検出し、１つの符号化基底に対応する２つの前記復号された量子信号の出力先を、前記１つの符号化基底に対応する、対を構成する２つの前記検出器の中で切り替え、かつ、前記対を構成する２つの検出器のそれぞれでの光子の検出結果に基づいて検出するビットを切り替える、量子信号の検出方法。

【0167】

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。

【0168】

この出願は、２０２１年１月２９日に出願された日本出願特願２０２１－１３９８４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】

【0169】

１ 光源
２ 制御部
３ 信号処理部
４Ａ、４Ｂ、１７、２７ 位相変調器
５ 偏波変調器
１０、２０、３０、４０、４０Ａ、４０Ｂ 干渉計
１０Ａ、２０Ａ 入力
１０Ｂ 出力
１１～１４、１１～１３、４１、４２ 光導波路
１５、２５、４３、４４ 分波器
１６ 合波器
２６ 合分波器
６１ 偏波変調器
６２ 偏波ビームスプリッタ
６３ 分波器
６４、６５ 偏波ビームスプリッタ
６６ １／２波長板
６７ 偏波変調器
１００、３００、５００ 送信装置
２００、４１０、６００、６１０、６２０ 受信装置
１０００ 量子鍵配送システム
１００１ 伝送路
１００２ 伝送路
２０００ 量子鍵配送システム
３０００ 量子鍵配送システム
ＰＤ１～ＰＤ４ 単一光子検出器
ＰＬ 光パルス
ＰＬ１ 前パルス（光パルス）
ＰＬ２ 後パルス（光パルス）
Ｑ 量子信号
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ１０、ＳＷ２０ 光スイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】