特許 7610798 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】2024-12-25

(45)【発行日】2025-01-09

(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 20060101AFI20241226BHJP

   H04B 10/70 20130101ALI20241226BHJP

【ＦＩ】

H04L9/12

H04B10/70

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2022578363

(86)(22)【出願日】2022-01-24

(86)【国際出願番号】 JP2022002433

(87)【国際公開番号】W WO2022163576

(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 2021013985

(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】中国特許出願公開第１１０７８４４８５（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２０６４５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／０３５８７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０６－１３２７２５（ＪＰ，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】

量子信号の検出タイミングを規定するための光信号である同期信号を受信し、前記同期信号に応じた基準信号を出力する同期信号受信装置と、
前記基準信号に応じた直流電圧信号にノイズ信号を重畳するノイズ生成部と、前記ノイズ信号が重畳された前記直流電圧信号に応じてタイミングが所定の範囲でランダムにばらついたクロック信号を出力するＶＣＯと、を有するクロック信号生成部と、
前記クロック信号に応じて前記量子信号の光子を検出する光子検出部と、を備える、
受信装置。

【請求項2】

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、
前記受信装置は、
前記量子信号の検出タイミングを規定するための光信号である同期信号を受信し、前記同期信号に応じた基準信号を出力する同期信号受信装置と、
前記基準信号に応じた直流電圧信号にノイズ信号を重畳するノイズ生成部と、前記ノイズ信号が重畳された前記直流電圧信号に応じてタイミングが所定の範囲でランダムにばらついたクロック信号を出力するＶＣＯと、を有するクロック信号生成部と、
前記クロック信号に応じて前記量子信号の光子を検出する光子検出部と、を備える、
量子鍵配送システム。

【請求項3】

量子信号の検出タイミングを規定するための光信号である同期信号を受信し、前記同期信号に応じた基準信号を出力し、
前記基準信号に応じた直流電圧信号にノイズ信号を重畳し、前記ノイズ信号が重畳された前記直流電圧信号に応じてタイミングが所定の範囲でランダムにばらついたクロック信号を出力し、
前記クロック信号に応じて前記量子信号の光子を検出する、
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、量子鍵配送技術の利用が注目されている（特許文献１～３）。

【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、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、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１１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１２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１２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１２に示すように、同じタイミング（例えば、図１２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受信装置は、量子信号の検出タイミングを規定するための光信号である同期信号を受信し、前記同期信号に応じた基準信号を出力する同期信号受信装置と、前記基準信号に応じてクロック信号を生成するクロック信号生成部と、前記クロック信号に応じて前記量子信号の光子を検出する光子検出部と、前記クロック信号のタイミングを所定の範囲でランダムに変化させる手段と、を有するものである。

【0013】

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、を有し、前記受信装置は、前記量子信号の検出タイミングを規定するための光信号である同期信号を受信し、前記同期信号に応じた基準信号を出力する同期信号受信装置と、前記基準信号に応じてクロック信号を生成するクロック信号生成部と、前記クロック信号に応じて前記量子信号の光子を検出する光子検出部と、前記クロック信号のタイミングを所定の範囲でランダムに変化させる手段と、を有するものである。

【0014】

本発明の一態様である量子信号の検出方法は、量子信号の検出タイミングを規定するための光信号である同期信号を受信し、前記同期信号に応じた基準信号を出力し、前記基準信号に応じてクロック信号を生成し、前記クロック信号に応じて前記量子信号の光子を検出し、前記クロック信号のタイミングを所定の範囲でランダムに変化させるものである。

【発明の効果】

【0015】

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】

【0016】

【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にかかる受光部の構成を模式的に示す図である。

【図7】実施の形態１にかかる光遅延部の構成を模式的に示す図である。

【図8】実施の形態２にかかる受信装置の構成を模式的に示す図である。

【図9】実施の形態２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10】クロック信号生成部の構成を模式的に示す図である。

【図11】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12】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】

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

電流電圧変換部１４は、出力電流Ｉ１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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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置２０の構成を模式的に示す。同期信号受信装置２０は、同期信号Ｓｄを受信する受光部２０Ａと、受光部２０Ａへの同期信号Ｓの入力タイミングを制御する光遅延部２０Ｂと、を有する。

【0034】

図６に、実施の形態１にかかる受光部２０Ａの構成を模式的に示す。受光部２０Ａ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、光遅延部２０Ｂについて説明する。図７に、実施の形態１にかかる光遅延部２０Ｂの構成を模式的に示す。光遅延部２０Ｂは、光遅延器２５及び遅延制御部２６を有する。

【0040】

波長分離部４０で波長分離された同期信号Ｓは、同期信号受信装置２０の光遅延器２５に入射する。

【0041】

光遅延器２５は、通過する同期信号Ｓの出力タイミングを所定の範囲内で制御可能な光遅延器として構成される。ここでは、例えば、±２００ｐｓを所定の範囲としてもよい。光遅延器２５で遅延された同期信号Ｓｄは、フォトダイオード２２へ出力される。

【0042】

遅延制御部２６は、遅延制御信号ＣＯＮを光遅延器２５に出力することで、光遅延器２５での遅延が所定の範囲内でランダムに変化するように、光遅延器２５を制御する。

【0043】

次いで、光遅延器２５における同期信号Ｓの遅延の影響について検討する。本構成では、上述したように、光遅延器２５からの同期信号Ｓｄの出力タイミングは、所定の範囲（例えば±２００ｐｓ）でランダムにばらつく。そのため、フォトダイオード２２への同期信号Ｓｄの入射タイミングは、所定の範囲（例えば±２００ｐｓ）でランダムにばらつくこととなる。

【0044】

よって、基準信号生成部２４は、フォトダイオード２２が同期信号Ｓｄを受信した場合に、同期信号Ｓｄの受信タイミングに応じた基準信号ＲＥＦを、クロック信号生成部３０へ出力する。クロック信号生成部３０は、基準信号ＲＥＦに基づいてクロック信号ＣＬＫのタイミングを調整するが、上述したように、フォトダイオード２２への同期信号Ｓｄの入射タイミングはランダムにばらついているので、クロック信号ＣＬＫのタイミングもランダムにばらつくこととなる。

【0045】

また、光子検出装置１０では、量子信号Ｑの光子を検出するＡＰＤ１３には、逆バイアスパルスタイミング信号Ｓ１１が、クロック信号ＣＬＫに基づくタイミングで印加される。クロック信号ＣＬＫのタイミングはランダムにばらつくため、ＡＰＤ１３への逆バイアスパルスタイミング信号Ｓ１１の印加タイミングもランダムにばらつく。

【0046】

なお、当然のことながら、本来、量子信号Ｑは、遅延を受けていない同期信号Ｓが示すタイミングに同期して受信されるものである。これに対し、本実施の形態では、同期信号Ｓに遅延を与えることで、量子信号Ｑの受信タイミングを規定するクロック信号ＣＬＫのタイミングにランダムなばらつきを与えている。その結果、ＡＰＤ１３への量子信号Ｑの入射タイミングと、ＡＰＤ１３への逆バイアス電圧ＶＢ１の印加タイミングとは、異なるタイミングとなる。かつ、同期信号Ｓを受信するごとに、両者のタイミングの差もばらつくこととなる。

【0047】

よって、ＡＰＤ１３における光子検出感度にもばらつきが生じ、量子信号Ｑの検出効率もランダムにばらつくこととなる。

【0048】

以上より、本構成によれば、盗聴者がＡＰＤ１３の光子検出感度の入射タイミング依存性を知っていたとしても、ＡＰＤ１３の光子検出感度はランダムにばらつくため、盗聴を好適に防止することが可能となる。

【0049】

特に、本構成によれば、光子検出器での光子検出のタイミングをばらつかせ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。

【0050】

実施の形態２
実施の形態２にかかる光子検出装置について説明する。実施の形態１では、同期信号Ｓに遅延を与えることで量子信号Ｑの受信タイミング（すなわち、クロック信号ＣＬＫのタイミング）のばらつきを実現したが、本実施の形態では、量子信号Ｑの受信タイミングのばらつきをクロック生成処理によって実現する構成について説明する。

【0051】

図８に、実施の形態２にかかる受信装置２００の構成を模式的に示す。受信装置は、受信装置１００の同期信号受信装置２０及びクロック信号生成部３０を、それぞれ同期信号受信装置５０及びクロック信号生成部６０に置換した構成を有する。

【0052】

同期信号受信装置５０について説明する。図９に、実施の形態２にかかる同期信号受信装置５０の構成を模式的に示す。同期信号受信装置５０は、同期信号受信装置２０の光遅延部２０Ｂを除去した構成を有する。

【0053】

次いで、クロック信号生成部６０について説明する。図１０に、クロック信号生成部６０の構成を模式的に示す。

【0054】

クロック信号生成部６０は、位相同期回路として構成され、位相比較器６１、ループフィルタ６２、ノイズ生成器６３、ＶＣＯ（Voltage-Controlled Oscillator）６４、分周器６５を有する。

【0055】

位相比較器６１は、入力される基準信号ＲＥＦとの周波数及び位相を、分周器６５からのフィードバック信号ＦＢの周波数及び位相と比較し、比較により検出した誤差を示す誤差パルス信号Ｅｒｒをループフィルタ６２に出力する。

【0056】

ループフィルタ６２は、誤差パルス信号Ｅｒｒの周波数リップル成分を除去して、直流電圧信号Ｖｒに変換する。

【0057】

ノイズ生成器６３は、ノイズ信号Ｖｎ、例えば、広帯域のホワイトノイズを生成して、出力する。ノイズ信号Ｖｎは、直流電圧信号Ｖｒに重畳され、重畳の結果得られた直流電圧信号ＶｒｎがＶＣＯ６４に入力される。

【0058】

ＶＣＯ６４は、直流電圧信号Ｖｒｎに応じた周波数のパルス信号であるクロック信号ＣＬＫを出力する回路として構成される。ここでは、クロック信号ＣＬＫは、基準信号ＲＥＦのＮ倍（Ｎは、２以上の整数）の周波数の信号である。

【0059】

直流電圧信号Ｖｒｎは、直流電圧信号Ｖｒにノイズ信号Ｖｎが重畳された信号である。そのため、ＶＣＯ６４が出力するクロック信号ＣＬＫの立ち上がり及び立ち下がりのタイミングは、ノイズ信号Ｖｎの影響によってランダムにばらつくこととなる。

【0060】

分周器６５は、クロック信号ＣＬＫを１／Ｎに分周して得られるフィードバック信号ＦＢを、位相比較器６１へ出力する。

【0061】

本構成では、ＡＰＤ１３への量子信号Ｑの入射タイミングと、クロック信号ＣＬＫに応じて生成されるＡＰＤ１３への逆バイアス電圧ＶＢ１の印加タイミングとは、異なるタイミングとなる。よって、ＡＰＤ１３における光子検出感度にもばらつきが生じ、量子信号Ｑの検出効率もランダムにばらつくこととなる。

【0062】

以上より、本構成によれば、実施の形態１と同様に、盗聴者がＡＰＤ１３の光子検出感度の入射タイミング依存性を知っていたとしても、ＡＰＤ１３の光子検出感度はランダムにばらつくため、盗聴を好適に防止することが可能となる。

【0063】

かつ、本構成によれば、光子検出器での光子検出のタイミングをばらつかせることができるので、実施の形態１と同様に、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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

この出願は、２０２１年１月２９日に出願された日本出願特願２０２１－１３９８５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】

【0067】

１０ 光子検出装置
１１、２１ タイミング生成部
１２、２１ 電源部
１３ 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、５０ 同期信号受信装置
２０Ａ 受光部
２０Ｂ 光遅延部
２２ フォトダイオード
２４ 基準電圧生成部
２５ 光遅延器
２６ 遅延制御部
３０、６０ クロック信号生成部
４０ 波長分離部
６１ 位相比較器
６２ ループフィルタ
６３ ノイズ生成器
６４ ＶＣＯ
６５ 分周器
１００、２００ 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
ＣＯＮ 遅延制御信号
Ｅｒｒ 誤差パルス信号
ＦＢ フィードバック信号
Ｉ１、Ｉ２ 出力電流
ＯＵＴ 光子検出信号
Ｑ 量子信号
ＲＥＦ 基準信号ＲＥＦ
Ｓ、Ｓｄ 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
Ｖｎ ノイズ信号
Ｖｒ、Ｖｒｎ 直流電圧信号

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】