特許ウォッチ

公開番号2025067429
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-24
出願番号2023177400
出願日2023-10-13
発明の名称量子鍵配送装置
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H04B 10/70 20130101AFI20250417BHJP(電気通信技術)
要約【課題】本開示は、多数のノードのうちの任意の2つのノード間で秘密鍵を共有する量子鍵配送(QKD)ネットワークにおいて、伝送光の偏波制御が不要であり、鍵ビット生成効率が高く鍵ビット誤り率の小さい量子鍵配送装置を提供する。
【解決手段】共通鍵暗号のための秘密鍵を供給するQKDネットワークは、リング状の伝送路と、リング状の伝送路上に配置され、信号光140を出力する光源を有する送信機およびリング状の伝送路を経由してきた信号光のパルス列から光子を検出する受信機を備えた1つの送受信ノードと、リング状の伝送路上に配置され、信号光のパルスを所定位相に変調する位相変調部711および位相変調部で変調された信号光のパルス強度を調整する可変光減衰器715を備える中継ノード710と、を備えている。
【選択図】図7
特許請求の範囲【請求項１】
共通鍵暗号のための秘密鍵を供給する量子鍵配送装置であって、
リング状の伝送路と、
前記リング状の伝送路上に配置された１つの送受信ノードであって、
信号光を出力する光源を有する送信機、および
前記リング状の伝送路を経由してきた前記信号光のパルス列から光子を検出する受信機、
を備えた送受信ノードと、
前記リング状の伝送路上に配置された中継ノードであって、
前記信号光のパルスを所定位相に変調する位相変調部、および
前記位相変調部で変調された前記信号光のパルス強度を調整する可変光減衰器、
を備えた中継ノードと、
を備えた量子鍵配送装置。
続きを表示（約 560 文字）【請求項２】
前記位相変調部は、垂直または水平偏波成分のいずれかに対して位相変調を行う第１の位相変調器および第２の位相変調器を備えた、請求項１に記載の量子鍵配送装置。
【請求項３】
前記第１の位相変調器と前記第２の位相変調器が直列に接続されており、
前記位相変調部は、前記第１の位相変調器と前記第２の位相変調器との間に配置された偏波回転素子をさらに備えた、請求項２に記載の量子鍵配送装置。
【請求項４】
前記第１の位相変調器と前記第２の位相変調器が並列に接続されており、
前記位相変調部は、前記第１の位相変調器および前記第２の位相変調器の入力段に配置された第１の偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、および前記第１の位相変調器および前記第２の位相変調器の出力段に配置された第２のＰＢＳを備えた、請求項２に記載の量子鍵配送装置。
【請求項５】
前記受信機は、１つの干渉計、および複数の光子検出器を備える、請求項１に記載の量子鍵配送装置。
【請求項６】
前記干渉計が、遅延マッハツェンダー干渉計である、請求項５に記載の量子鍵配送装置。
【請求項７】
前記中継ノードは、光モニター装置をさらに備えている、請求項１に記載の量子鍵配送装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、暗号システムに関し、具体的には、秘密鍵を配信するための量子鍵配送装置に関する。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
離れた２者に共通鍵暗号通信のための秘密鍵を安全に供給するシステムとして、量子暗号または量子鍵配送（ＱｕａｎｔｕｍＫｅｙＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ：ＱＫＤ）の研究開発が進められている。ＱＫＤでは、鍵情報がエンコードされた量子状態（例えば、単一光子または超微弱コヒーレント光）を送受信し、その送受信結果に鍵蒸留、誤り訂正、または秘匿性増強などの後処理を施すことにより、秘密鍵を生成する。生成した鍵の安全性は、量子状態は観測または操作されると状態変化を起こす、という量子力学的性質により保証される。この性質のため、盗聴が行われると受信状態が正常時と異なることとなり、これより盗聴行為が検知される。言い方を変えると、正常に送受信されていれば、盗聴されておらず、安全であることが保証される。
【０００３】
上記のように、ＱＫＤの安全性は、量子状態に何らかの操作が施されると状態が変化することに基づいていため、再生中継や信号の分岐をすることはできない。従って、図１に示すように、ＱＫＤ基本構成においては、ＱＫＤ送信機１１０とＱＫＤ受信機１２０が伝送路１３０を介して直接接続され、ＱＫＤ信号光１４０が一対一伝送されることになる。
【０００４】
このため、多数のノード間で秘密鍵を共有する場合には、図２に示すように、各ノード２１０間を｛ＱＫＤ送信機－伝送路－ＱＫＤ受信機｝のセットで一対一接続する必要がある。したがって、Ｎ個のノード間でそれぞれ秘密鍵を共有するためには、｛Ｎ×（Ｎ－１）／２｝個のセットの｛ＱＫＤ送信機－伝送路－ＱＫＤ受信機｝を備えることになり、高価なネットワークとなる。
【０００５】
これを解決するため、複数のノードをリング状に接続するＱＫＤネットワークが特許文献１にて提示されている。
【０００６】
図３は、特許文献１で提示されているＱＫＤネットワーク３００の構成図である。非特許文献１で提案されているＱＫＤネットワーク３００は、（各ノードの構成は、図４を参考しながらさらに詳しく説明するが、）送受信ノード２１０内に備える送信機１１０から送信された信号光１４０が、複数の中継ノード３１０を経由して再び送受信ノード２１０内に備える受信機１２０に戻ってくる、リングトポロジーのネットワークである。
【０００７】
図４は、上記ＱＫＤネットワーク３００における送受信ノード２１０の装置構成図である。送信機１１０は、コヒーレントパルス光源１１１、位相変調器１１３、及び光減衰器１１５を有する。これにより、送信機１１０は、パルス間隔が一定で、各パルスの位相が０またはπで変調された微弱コヒーレントパルス列（平均光子数がパルス当たり１未満）である信号光１４０を伝送路１３０へ送出する。
【０００８】
受信機１２０は、遅延時間がパルス間隔に等しい遅延マッハツェンダー干渉計１２１、並びに光子を検出する第１の光子検出器１２３Ａ、及び第２の光子検出器１２３Ｂを有する。これにより、受信機１２０は、隣接パルスが干渉し、その結果として光子を検出する。具体的には、隣接パルス間位相差が０であれば第１の光子検出器１２３Ａで、位相差がπであれば第２の光子検出器１２３Ｂで、光子が検出される。但し、信号光は微弱であるので、光子が検出されるのは稀かつランダムである。
【０００９】
上記の遅延マッハツェンダー干渉計１２１は、信号光１４０を２分岐して、一方を反射し他方を透過する第１のハーフミラー１２５Ａ、２分岐されたパルスの一方を反射する第１のミラー１２７Ａおよび第２のミラー１２７Ｂ、および２分岐されたパルスの一方を反射し他方を透過する第２のハーフミラー１２５Ｂを備える。
【００１０】
図５は、上記ＱＫＤネットワーク３００における中継ノード３１０の装置構成図である。中継ノード３１０は、入力される信号光１４０のパルスを位相変調する位相変調器１１３を備える。中継ノード３１０は、上記の位相変調器１１３を使用して、伝送されてきた各パルスに０またπの位相変調を加えたうえで、次のノードへ信号光１４０を送出する。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許