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公開番号2024075980
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-06-05
出願番号2022187289
出願日2022-11-24
発明の名称量子鍵配布システム、光信号受信装置、量子鍵配送方法
出願人日本電信電話株式会社,国立大学法人大阪大学
代理人弁理士法人谷・阿部特許事務所
主分類H04L 9/12 20060101AFI20240529BHJP(電気通信技術)
要約【課題】より低コスト、かつダークカウントの発生が少ない量子鍵配送システムを提供する。
【解決手段】パルス光間の位相差が0、π/2、π、3π/2のいずれかの微弱なパルス光をランダムに送信する光信号送信装置100、遅延時間2T、伝搬位相差0のマッハツェンダー干渉計31、遅延時間Tで伝搬位相差π/2のマッハツェンダー干渉計32、マッハツェンダー干渉計31、32を通って出力された光子を検出する光子検出器323,324を備える光信号受信装置3を含み、光信号受信装置3は、検出された光子の情報を、この光子を検出した光子検出器に対応付けて記録し、光子を検出した光子検出器に対応して1または0ビットを生成し、光子が検出された場合、この光子が検出された時刻の情報を光信号送信装置100に通知する量子鍵配送システムを構成する。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
光の量子力学的性質に基づいて、暗号通信のための秘密鍵を安全に離れた二者に供給する量子鍵配送システムであって、
１パルス光あたりの平均光子数が１光子未満であり、かつ隣接するパルス光間の位相差が０、π／２、π、３π／２のいずれかである４連続のパルス光を時間的にランダムに送信する光信号送信装置と、
前記光信号送信装置から送信された前記パルス光を受信する光信号受信装置と、を含み、
前記光信号受信装置は、
遅延時間が前記パルス光の間隔の２倍に等しく、伝搬位相差が０である第１のマッハツェンダー干渉計と、
前記第１のマッハツェンダー干渉計と接続され、遅延時間が前記パルス光の間隔に等しく、伝搬位相差がπ／２である第２のマッハツェンダー干渉計と、
前記第１のマッハツェンダー干渉計及び前記第２のマッハツェンダー干渉計を通って出力された光子を検出する第１の光子検出器及び第２の光子検出器と、
前記第１の光子検出器及び前記第２の光子検出器において検出された光子に係る情報を、当該光子を検出した前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器に対応付けて記録する光子記録部と、
前記第１の光子検出器が光子を検出することよって第1のビットを生成し、前記第２の光子検出器が光子を検出することよって前記第１のビットと異なる第２のビットを生成するビット列生成部と、
前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器が光子を検出した場合、当該光子が検出された時刻にかかる情報を、前記光信号送信装置に通知する通知部と、を備え、
前記パルス光の位相に基づいて、暗号通信に用いる秘密鍵を生成する量子鍵配送システム。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記光信号送信装置は、４連続の前記パルス光をフレーム化して送信し、前記パルス光のフレームの間に散発的にダミーパルスを挿入する、請求項１に記載の量子鍵配送システム。
【請求項３】
１パルス光あたりの平均光子数が１光子未満であり、かつ隣接するパルス光間の位相差が０、π／２、π、３π／２のいずれかである４連続のパルス光を時間的にランダムに受信する光信号受信装置であって、
遅延時間が前記パルス光の間隔の２倍に等しく、伝搬位相差が０である第１のマッハツェンダー干渉計と、
前記第１のマッハツェンダー干渉計と接続され、遅延時間が前記パルス光の間隔に等しく、伝搬位相差がπ／２である第２のマッハツェンダー干渉計と、
前記第１のマッハツェンダー干渉計及び前記第２のマッハツェンダー干渉計を通って出力された光子を検出する第１の光子検出器及び第２の光子検出器と、
前記第１の光子検出器及び前記第２の光子検出器において検出された光子に係る情報を、当該光子を検出した前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器に対応付けて記録する光子記録部と、
前記第１の光子検出器が光子を検出することよって第1のビットを生成し、前記第２の光子検出器が光子を検出することよって前記第１のビットと異なる第２のビットを生成するビット列生成部と、
前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器が光子を検出した場合、当該光子が検出された時刻にかかる情報を、前記パルス光を送信した光信号送信装置に通知する通知部と、を備え、
前記パルス光の位相に基づいて、暗号通信に用いる秘密鍵を生成する光信号受信装置。
【請求項４】
前記第１のマッハツェンダー干渉計は、第２マッハツェンダー干渉計の前段、または後段に接続される、請求項３に記載の光信号受信装置。
【請求項５】
４連続の前記パルス光がフレーム化されている、請求項３に記載の光信号受信装置。
【請求項６】
１パルス光あたりの平均光子数が１光子未満であり、かつ隣接するパルス光間の位相差が０、π／２、π、３π／２のいずれかである４連続のパルス光を時間的にランダムに受信する工程と、
遅延時間が前記パルス光の間隔の２倍に等しく、伝搬位相差が０である第１のマッハツェンダー干渉計と、前記第１のマッハツェンダー干渉計と接続され、遅延時間が前記パルス光の間隔に等しく、伝搬位相差がπ／２である第２のマッハツェンダー干渉計と、を通って出力された光子を第１の光子検出器及び第２の光子検出器によって検出する工程と、
前記第１の光子検出器及び前記第２の光子検出器において検出された光子に係る情報を、当該光子を検出した前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器に対応付けて記録する工程と、
前記第１の光子検出器が光子を検出することよって第1のビットを生成し、前記第２の光子検出器が光子を検出することよって前記第１のビットと異なる第２のビットを生成する工程と、
前記第１の光子検出器または前記第２の光子検出器が光子を検出した場合、当該光子が検出された時刻にかかる情報を、前記パルス光を送信した光信号送信装置に通知する工程と、を含み、
前記パルス光の位相に基づいて、暗号通信に用いる秘密鍵を生成する量子鍵配送方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、４値差動位相シフトによりパルス光を送受信して秘密鍵を生成する量子鍵配送システム、この光信号受信装置及び量子鍵配送方法に関する。
続きを表示（約 3,200 文字）【背景技術】
【０００２】
光の量子力学的性質を利用して、離れた二者に暗号通信のための秘密鍵を供給する量子鍵配送（Quantum Key Distribution: QKD）の研究開発が進められている。ここでは、４値差動位相シフト（Differential Quadrature Phase Shift：DQPS）ＱＫＤについて述べる。ＤＱＰＳ－ＱＫＤは、送信装置から連続するパルス光（以下、「パルス列」とも記す）を送信し、これを受信装置がマッハツェンダー干渉計（Mach-Zehnder Interferometer:MZI）で分岐、合波し、４つの光子検出器により検出する。送信されるパルス列のパルス光は、いずれも位相が０、π／２、π、３π／２のいずれかであって、光子エネルギーが微弱である。このような構成においては、隣接するパルス光（パルス列における直前または直後のパルス光）の位相差と、光子を検出した光子検出器、及び検出確率との間に対応関係がある。公知のＤＱＰＳ－ＱＫＤは、この点を利用し、送信されたパルス列に含まれる隣接するパルス光の位相差に基づいて鍵ビット値を生成する。このようなＤＱＰＳ－ＱＫＤは、例えば、非特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
“Differential‐quadrature‐phase-shift quantum key distribution,” Kyo Inoue and Yuuki Iwai, Phys. Rev. A 79, 022319 ‐ Published 20 February 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したように、非特許文献１に記載のＤＱＰＳ―ＱＫＤシステムは、微弱なパルス光を送受信して鍵ビット値を生成している。しかしながら、微弱なパルス光の光子を検出する光子検出器は、１光子レベルの光エネルギーを検出する超高感度受信特性を備えている。このため、ＤＱＰＳ－ＱＫＤ装置に用いられる光子検出器は、他の光子検出器よりも装置構成が複雑であり、かつ高コストである。また、このような光子検出器では、光子が入力されていないにも関わらず、光子が検出される、ダークカウントと呼ばれる現象が起こり得る。ダークカウントは、鍵ビットの誤りの一因となる。
【０００５】
また、非特許文献１に記載のＤＱＰＳ－ＱＫＤシステムは、４つの位相状態を判別することに起因して、光子検出器を４台使用する。この点は、ＤＱＰＳ－ＱＫＤシステムをいっそう高コスト化する。また、ダークカウントが起こる確率は、光子検出器の台数に比例するため、鍵ビットの誤り率を小さくするためにも光子検出器の台数は少ない方が好ましい。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、４位相状態を判別しながらも、より低コスト、かつダークカウントの発生が少ない量子鍵配送システム、この光信号受信装置及び量子鍵配送方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明の一形態の量子鍵配送システムは、光の量子力学的性質に基づいて、暗号通信のための秘密鍵を安全に離れた二者に供給する量子鍵配送システムであって、１パルス光あたりの平均光子数が１光子未満であり、かつ隣接するパルス光間の位相差が０、π／２、π、３π／２のいずれかである４連続のパルス光を時間的にランダムに送信する光信号送信装置と、光信号送信装置から送信されたパルス光を受信する光信号受信装置と、を含み、光信号受信装置は、遅延時間がパルス光の間隔の２倍に等しく、伝搬位相差が０である第１のマッハツェンダー干渉計と、第１のマッハツェンダー干渉計と接続され、遅延時間がパルス光の間隔に等しく、伝搬位相差がπ／２である第２のマッハツェンダー干渉計と、第１のマッハツェンダー干渉計及び第２のマッハツェンダー干渉計を通って出力された光子を検出する第１の光子検出器及び第２の光子検出器と、第１の光子検出器及び第２の光子検出器において検出された光子に係る情報を、当該光子を検出した第１の光子検出器または第２の光子検出器に対応付けて記録する光子記録部と、第１の光子検出器が光子を検出することよって第1のビットを生成し、第２の光子検出器が光子を検出することよって第１のビットと異なる第２のビットを生成するビット列生成部と、第１の光子検出器または第２の光子検出器が光子を検出した場合、当該光子が検出された時刻にかかる情報を、光信号送信装置に通知する通知部と、を備え、パルス光の位相に基づいて、暗号通信に用いる秘密鍵を生成する。
【０００８】
本発明の一形態の光信号受信装置は、１パルス光あたりの平均光子数が１光子未満であり、かつ隣接するパルス光間の位相差が０、π／２、π、３π／２のいずれかである４連続のパルス光を時間的にランダムに受信する光信号受信装置であって、遅延時間がパルス光の間隔の２倍に等しく、伝搬位相差が０である第１のマッハツェンダー干渉計と、
第１のマッハツェンダー干渉計と接続され、遅延時間がパルス光の間隔に等しく、伝搬位相差がπ／２である第２のマッハツェンダー干渉計と、第１のマッハツェンダー干渉計及び第２のマッハツェンダー干渉計を通って出力された光子を検出する第１の光子検出器及び第２の光子検出器と、第１の光子検出器及び第２の光子検出器において検出された光子に係る情報を、当該光子を検出した第１の光子検出器または第２の光子検出器に対応付けて記録する光子記録部と、第１の光子検出器が光子を検出することよって第1のビットを生成し、第２の光子検出器が光子を検出することよって第１のビットと異なる第２のビットを生成するビット列生成部と、第１の光子検出器または第２の光子検出器が光子を検出した場合、当該光子が検出された時刻にかかる情報を、光信号送信装置に通知する通知部と、を備え、パルス光の位相に基づいて、暗号通信に用いる秘密鍵を生成する。
【０００９】
本発明の一形態の量子鍵配送方法は、１パルス光あたりの平均光子数が１光子未満であり、かつ隣接するパルス光間の位相差が０、π／２、π、３π／２のいずれかである４連続のパルス光を時間的にランダムに受信する工程と、遅延時間がパルス光の間隔の２倍に等しく、伝搬位相差が０である第１のマッハツェンダー干渉計と、第１のマッハツェンダー干渉計と接続され、遅延時間がパルス光の間隔に等しく、伝搬位相差がπ／２である第２のマッハツェンダー干渉計と、を通って出力された光子を第１の光子検出器及び第２の光子検出器によって検出する工程と、第１の光子検出器及び第２の光子検出器において検出された光子に係る情報を、当該光子を検出した第１の光子検出器または第２の光子検出器に対応付けて記録する工程と、第１の光子検出器が光子を検出することよって第1のビットを生成し、第２の光子検出器が光子を検出することよって第１のビットと異なる第２のビットを生成する工程と、第１の光子検出器または第２の光子検出器が光子を検出した場合、当該光子が検出された時刻にかかる情報を、光信号送信装置に通知する工程と、を含み、パルス光の位相に基づいて、暗号通信に用いる秘密鍵を生成する。
【発明の効果】
【００１０】
以上の形態によれば、４位相状態を判別しながらも、より低コスト、かつダークカウントの発生が少ない量子鍵配送システム、この光信号受信装置及び量子鍵配送方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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