DE69408152T2

DE69408152T2 - System und verfahren zur quanten-kryptographie

Info

Publication number: DE69408152T2
Application number: DE69408152T
Authority: DE
Inventors: Keith James Suffolk Ip12 1Ha Blow
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1993-09-09
Filing date: 1994-09-08
Publication date: 1998-05-14
Anticipated expiration: 2014-09-09
Also published as: ES2111950T3; WO1995007584A1; EP0717897B1; JPH09502322A; JP2951408B2; EP0717897A1; AU678049B2; HK1008766A1; DE69408152D1; AU7544094A; US5757912A; CA2168851A1; CA2168851C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System für den Austausch verschlüsselter Daten und insbesondere auf ein System, das die als Quantenchiffriersystem bekannte Technik verwendet.
Im Quantenchiffriersystem werden Daten beim Sender codiert und beim Empfänger decodiert, wobei ein bestimmter spezifizierter Algorithmus verwendet wird, von dem angenommen wird, das er allen Benutzern des Systems frei zur Verfügung steht, unabhängig davon, ob sie autorisiert sind. Die Sicherheit des Systems hängt davon ab, ob der Schlüssel für den Algorithmus nur den autorisierten Benutzern zur Verfügung steht. Zu diesem Zweck wird der Schlüssel über einen sicheren Quantenkanal verteilt, der ein von Einzelphotonsignalen getragener Kanal ist und ein nicht-klassisches Verhalten aufweist, wie im folgenden beschrieben wird. In der vorliegenden Beschreibung umfaßt der Ausdruck "Einzelphoton" jedes Signal, das die benötigten Quantenmerkmale aufweist. Es kann von einer stark gedämpften Quelle erzeugt werden, die im allgemeinen nicht mehr als ein Photon und im Mittel sehr viel weniger als ein Photon pro Ausgangssignal aufweist, oder kann Einzelphotonen umfassen, die durch parametrische Abwärtskonversion erzeugt werden. Diese beiden Techniken sind in unserer anhängigen internationalen Anmeldung PCT/GB 93/02637 (WO-A-94/15422) beschrieben und werden darin beansprucht.
Nach dem Austausch von Einzelphotonsignalen kommunizieren anschließend der Sender und der Empfänger über einen separaten Kanal, als öffentlicher Kanal bekannt, um die gesendeten und empfangenen Daten zu vergleichen. Das Vorhandensein irgendwelcher Abhörer, die den gesendeten Schlüssel abfangen, führt zu einer Veränderung der Statistik der empfangenen Daten, die detektiert werden kann. Bei Fehlen solcher Veränderungen der Statistik der Daten steht dementsprechend fest, daß der Schlüssel sicher ist. Der somit eingerichtete Geheimschlüssel kann bei der Verschlüsselung und Entschlüsselung der anschließenden Kommunikation zwischen dem Sender und dem Empfänger verwendet werden. Die nachfolgenden Sendungen werden im allgemeinen, jedoch nicht notwendigerweise, auf demselben Sendekanal geführt, der für die Einrichtung des Schlüssels verwendet wurde. Für eine zusätzliche Sicherheit kann der bestehende Schlüssel periodisch durch einen neu erzeugten Schlüssel ersetzt werden.
Ein Verfahren zum Datenaustausch unter Verwendung des Quantenchiffriersystems umfaßt im allgemeinen die Schritte:
(a) zufälliges Auswählen eines von mehreren Codierungsalphabeten, die verschiedenen, nicht pendelnden, quantenmechanischen Operatoren zugeordnet sind, und Codieren eines Signals zum Senden auf dem Quantenkanal unter Verwendung des ausgewählten Operators;
(b) willkürliches Auswählen eines der unterschiedlichen quantenmechanischen Operatoren und Verwenden desselben beim Erfassen des in Schritt (a) gesendeten Signals;
(c) Wiederholen der Schritte (a) und (b) für jedes von mehreren aufeinanderfolgenden Signalen;
(d) Datenaustausch zwischen dem Sender und dem Empfänger unabhängig von den Verschlüsselungsalphabeten, um zu ermitteln, für welches der gesendeten Signale vom Sender und Empfänger ausgewählt gemeinsame Operatoren worden sind;
(e) Vergleichen der in den Schritten (a) und (b) gesendeten und empfangenen Signale, um irgendeine Diskrepanz zu detektieren, die aus dem Vorhandensein eines Abhörers resultiert; und
(f) für den Fall, daß im Schritt (e) kein Abhörer detektiert worden ist, Verwenden wenigstens einiger der in den Schritten (a) und (b) gesendeten Daten als Schlüssel für die Verschlüsselung/Entschlüsselung der nachfolgenden Datenübertragungen zwischen dem Sender und dem Empfänger. Dieses Schema wird von C. H. Bennett, G. Brassard, S. Briedbart und S. Veesner in "Advances in Cryptology", Proceedings with Crypto 82 (Pleenham, New York 1983), C. H. Bennett, G. Brassard, IBM Technical Disclosure Bulletin, genauer beschrieben.
In dem hier verwendeten Ausdruck "Verschlüsselungsalphabet" bezieht sich "Verschlüsselung" auf die Codierung der Einzelphotonimpulse während der Schlüsselverteilungsphase, und nicht auf die anschließende Verschlüsselung des Textes zur Übertragung, sobald ein Schlüssel eingerichtet worden ist.
Wie in unserer anhängigen, heute eingereichten internationalen Anmeldung mit dem Titel "QUANTUM CRYPTOGRAPHY ON A MULTIPLE ACCESS NETWORK" (PCT-Anmeldung Nr. WO 95/07582) beschrieben, kann diese grundsätzliche Quantenchiffriertechnik für die Verwendung in Mehrfachzugriff-Netzen erweitert werden. Sie kann ferner in einer Konfiguration verwendet werden, in der die Signale vom Empfänger zum Sender zurückgeführt werden und im Sender ein Detektionsschritt unter Verwendung der ausgewählten quantenmechanischen Operatoren durchgeführt wird. Diese Anordnung ist beschrieben und beansprucht in unserer anhängigen internationalen Anmeldung, die ebenfalls heute eingereicht wurde, mit dem Titel "QUANTUM CRYPTOGRAPHY" (PCT-Anmeldung Nr. WO 95/07585).

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Datenaustausch unter Verwendung des Quantenchiffriersystems dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlüsselungsalphabet, das bei der Codierung von Signalen für die Übertragung auf einem Quantenkanal verwendet wird, Paare von Operatoren aufweist, die sukzessive auf Einzelphotonsignale angewendet werden, die auf dem Quantenkanal mit einer vorgegebenen gegenseitigen Verzögerung übertragen werden, und daß in einem Schritt des Erfassens der Einzelphotonsignale die unterschiedlichen Signale jedes Paars entsprechend ihrem Codierungszustand aufgeteilt und an verschiedene Detektoren über Pfade gelenkt werden, die ihnen eine differentielle Verzögerung verleihen, die zu der vorgegebenen Verzögerung im wesentlichen komplementär ist, und eine Koinzidenzerfassung bei den Detektoren verwendet wird, um falsche Zählsignale zu beseitigen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren des Quantenchiffriersystems, das sehr viel weniger empfindlich ist gegenüber Systemrauschen und insbesondere gegenüber den Auswirkungen der Dunkelzählsignale in den Detektoren für die Einzelphotonsignale. Dies wird erreicht durch Codieren von Paaren (oder von größeren Gruppen) von Einzelphotonsignalen und Ausgeben derselben auf das Sendemedium, wobei der Quantenkanal mit einer vorgegebenen Verzögerung zwischen diesen versehen ist. Anschließend werden die zwei Einzelphotonsignale auf verschiedene Detektoren gerichtet, z. B. in Abhängigkeit von ihren codierten Phasenzuständen. Die Weglängen zu den verschiedenen Detektoren unterscheiden sich um ein Maß, das eine Verzögerung ergibt, die im wesentlichen komplementär zur ursprünglich vorgegebenen Verzögerung zwischen den ersten und zweiten Einzelphotonsignalen ist, die das Paar bilden. Das vorauseilende Einzelphotonsignal wird sozusagen über den längeren Pfad auf einen Detektor gerichtet, während das nacheilende Einzelphotonsignal über einen kürzeren Pfad auf den anderen Detektor gerichtet wird, so daß geeignet codierte Signale im wesentlichen gleichzeitig an den entsprechenden Detektoren ankommen, so daß irgendeine Zeitdifferenz kleiner ist als das Koinzidenz- Fenster des Detektors.
Dunkelzählsignale sind insbesondere ein Problem von APD's, die im 1300nm-Übertragungsfenster arbeiten, so daß die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft ist, wenn sie auf solche Vorrichtungen oder auf andere Detektoren angewendet wird, bei denen Dunkelzählsignale ein signifikantes Problem sind.
Die auf die Einzelphotonsignale angewendeten Operatoren können Phasenoperatoren oder Polarisationsoperatoren sein. Vorzugsweise wird jedes Einzelphotonsignal geteilt und läuft durch zwei Pfade, wobei nur einer der zwei Pfade einen Phasen- oder Polarisationsmodulator enthält, und wobei die Signale der zwei Pfade am Detektor rekombiniert werden. In einem der Signalpfade kann eine Verzögerung vorgesehen sein, um die zwei Pfade im Zeitbereich zu trennen.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden eine Mach-Zehnder-Konfiguration, um die Einzelphotonsignale zu modulieren. Diese verwendet jeweils ein Einzelphotonsignal, das durch einen Strahlteiler und anschließend durch zwei Zweige läuft, von denen nur einer einen Modulator enthält, der in bezug auf den anderen unmodulierten Pfad eine Phasen- oder Polarisationsverschiebung bewirkt. In einem der Pfade kann eine Zeitverzögerung bewirkt werden, um die zwei Zweige im Zeitbereich getrennt zu halten, während sie über einen einzigen Übertragungskanal übertragen werden. Das Teilen eines individuellen Einzelphotonsignals und die Verwendung einer Zeitverzögerung zwischen den verschiedenen Zweigen eines Mach-Zehnder-Interferometers ist im Stand der Technik bekannt und ist z. B. in unserer obenerwähnten anhängigen internationalen Anmeldung Nr. PCT/GB 93/02637 (WO 94/15422) beschrieben. Diese Verwendung einer Zeitverzögerung zwischen den verschiedenen Komponenten eines individuellen Einzelphotonsignals und die Anwendung einer relativen Phasen- oder Polarisationsverschiebung in einem der Zweige ist zu unterscheiden von der Verwendung einer Zeitverzögerung zwischen verschiedenen Einzelphotonsignalen und der Anwendung unterschiedlicher Operatoren auf die verschiedenen Signale, was Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
Gemäß einen zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kommunikationssystem geschaffen, mit Einrichtungen zum Erzeugen von Paaren von Einzelphotonsignalen, einer Einrichtung zum sukzessiven Anwenden von Paaren von Operatoren auf die Einzelphotonsignale und zum Ausgeben der Signale auf einen Quantenkanal mit vorgegebener gegenseitiger Verzögerung, einem Paar von Detektoren, die mit dem Quantenkanal über Pfade verbunden sind, die eine differentielle Verzögerung verleihen, die zu der vorgegebenen Verzögerung komplementär ist, einer Einrichtung zum Aufteilen ankommender Einzelphotonsignale entsprechend ihren Codierungszuständen und zum Leiten dieser Signale zu den verschiedenen Detektoren sowie einer Einrichtung zum Erfassen der koinzidenten Ankunft der Signale bei den Detektoren.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Im folgenden werden lediglich beispielhaft Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Quantenchiffriersystems des Standes der Technik ist;
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 ein genaues Schaltbild einer Ausführungsform eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 4a und 4b Einzelphotonquellen sind, die die parametrische Abwärtskonversion verwenden;
Fig. 5a und 5b Sender- und Detektorstufen jeweils einer zweiten Ausführungsform sind;
Fig. 6 eine schematische Ansicht der zweiten Ausführungsform ist; und
Fig. 7 ein Koinzidenz-Erfassungssystem ist.

BESCHREIBUNG DER BEISPIELE

Fig. 1 zeigt schematisch ein Quantenchiffriersystem des Standes der Technik. Dieses verwendet im Sender eine einzelne Quelle, die z. B. ein stark gedämpfter Laser sein kann, der im allgemeinen nicht mehr als ein Photon pro Ausgangsimpuls erzeugt. Die Einzelphotonsignale dieser Quelle laufen anschließend über einen 50:50- Strahlteiler. In einem Zweig des Signalpfades ist ein Modulator enthalten, der im vorliegenden Beispiel ein Phasenmodulator ist. Dieser kann z. B. bezüglich des anderen Zweiges eine Phasenverschiebung von π bewirken. Die Signale von den beiden Zweigen werden anschließend mit einer Verzögerung zwischen denselben auf den Übertragungskanal ausgegeben. Bei den Detektoren wird eine komplementäre Struktur verwendet, die einen weiteren Strahlteiler und eine komplementäre Verzögerung im anderen der beiden Zweige verwendet, so daß die zwei Komponenten rekombiniert werden. Erneut ist in einem der Zweige am Detektor ein Modulator vorgesehen, der verwendet wird, um die für die Detektion verwendete Basis zu bestimmen. Der Ausgang des Systems wird als eine 1 oder eine 0 codiert, in Abhängigkeit davon, welcher der beiden Detektoren den Ausgangsimpuls empfängt.
Fig. 2 zeigt eine Schaltung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Beim Detektor wird wiederum ein Paar von Detektoren verwendet, wobei jedoch zusätzlich ein Koinzidenz-Gatter (CG) mit dem Ausgang des Detektors verbunden ist. Beim Sender werden zwei Einzelphotonquellen verwendet: eine erste Quelle, die über einen kurzen Übertragungspfad mit dem ersten Strahlteiler verbunden ist, sowie eine zweite Quelle, die über einen längeren Übertragungspfad mit der anderen Seite des Strahlteilers verbunden ist. Wie oben beschrieben ist, ist ein Modulator, im vorliegenden Beispiel ein Phasenmodulator, jenseits des Strahlteilers in einen der Zweige eingekoppelt. Bei den Detektoren wird eine komplementäre Struktur verwendet, wobei die Wegdifferenz zwischen den zwei Detektoren so beschaffen ist, daß sie der Wegdifferenz zwischen den Quellen entspricht.
Für dieses System wird ein neues Protokoll verwendet. Im folgenden wird zuerst die Ausbreitung eines individuellen Einzelphotonimpulses durch das System betrachtet. In den zwei halben Mach-Zehnder-Interferometern im Sender bzw. im Empfänger werden zwei Phasenveränderungen bewirkt. Wenn die Gesamtphasenänderung gleich 0 oder gleich π ist, erscheint der Impuls am einen oder am anderen der zwei Detektoren mit einer Wahrscheinlichkeit von 1. Mit anderen Worten, die einem Impuls verliehene Phasenänderung kann diesen zu dem einen oder dem anderen der Detektoren leiten. Wie oben gezeigt, werden bei Systemen, die die vorliegende Erfindung verwenden, zwei Einzelphotonimpulse verwendet, einer von jeder Quelle. Die Verschiebung zwischen den unterschiedlichen Weglängen an den Quellen und den Detektoren ist so beschaffen, das eine Koinzidenz erhalten werden kann, indem dafür gesorgt wird, daß ein Photon von der Quelle 1 am Detektor 2 ankommt und umgekehrt. Die später gezeigte Tabelle 1 listet die Phasenänderungen auf, die verwendet werden können, um die Koinzidenz zu garantieren. Diese Tabelle zeigt nur die Basis (0, π), jedoch kann π/2 zu jeder Phase addiert werden, um die Basis (π/2, 3π/2) zu erhalten. In der Tabelle beziehen sich "Phase 1" und "Phase 2" auf die Phasen, die jeweils im Sender bzw. Empfänger angewendet werden.
Die Tabelle 2 zeigt die Paare von Phasen, die auf die zwei Impulse angewendet werden, wenn diese durch das System laufen. Innerhalb der Basis (0, π) kann der Sender z. B. (0, π) verwenden, um eine 1 zu codieren, d. h. eine Phasenänderung von 0, die auf den ersten Impuls angewendet wird, sowie eine Phasenänderung von π, die auf den zweiten Impuls angewendet wird; sowie eine Phasenänderung von π gefolgt von einer Phasenänderung von 0 zum Codieren einer "0". Für diejenigen empfangenen Impulse, für die der Empfänger in der gleichen Basis mißt, wenn der Empfänger eine Phasenänderung von π auf den ersten ankommenden Impuls und eine Phasenänderung von 0 auf den zweiten ankommenden Impuls anwendet, ist anschließend dann, wenn von den Detektoren ein Koinzidenz-Ausgang erhalten wird, bekannt, daß der Sender mit der Sequenz (0, π) codiert haben muß, d. h. er hat eine logische "1" codiert. Wenn ein Koinzidenz-Ausgang erhalten wird und der Empfänger Phasenänderungen von (0, π) bewirkt hat, wird anschließend angenommen, daß der Sender die Phasenänderungen (π, 0) codiert haben muß, d. h. eine logische "0".
Die Verzögerung zwischen den ersten und zweiten Einzelphotonimpulsen jedes Paares muß größer sein als das Koinzidenz-Fenster des im Empfänger verwendeten Koinzidenz-Detektors. Im vorliegenden Beispiel besitzt der Detektor ein Koinzidenz-Fenster von 8 ns, so daß hierdurch eine untere Grenze für die Trennung der Impulse festgelegt wird. In der Praxis wird eine Trennung zwischen den Impulsen im Bereich von 10-20 ns verwendet. Die Phasenmodulatoren müssen daher relativ breitbandige Vorrichtungen sein, die in einem vergleichsweise kurzen Zeitbereich Zustände umschalten können. In der im folgenden beschriebenen Ausführungsform ist der Phasenmodulator ein Lithium-Niobat-Kristall. Alternativen sind die Verwendung eines Fasermodulators, bei dem die Phasenmodulation mittels XPM bewirkt wird, die durch einen in die Faser geschalteten Steuerstrahl induziert wird, oder es können ferroelektrische Flüssigkristallmodulatoren verwendet werden. Eine weitere Alternative ist die Verwendung schneller nichtlinearer Halbleitervorrichtungen.
Nachdem die Quantenübertragung stattgefunden hat, wird wie bei herkömmlichen Systemen eine öffentliche Kommunikation durchgeführt. Es werden nur diejenigen Ereignisse betrachtet, bei denen eine Koinzidenz erhalten wird, wobei die Teilmenge von Ereignissen, in denen dieselbe Basis in der Quelle und im Detektor verwendet wurde, zum Vereinbaren eines Sicherheitsschlüssels verwendet werden. Irgendwelche Fehler, die durch einen Statistiktest dieser Datenteilmenge detektiert werden, würden das Vorhandensein eines Abhörers im Netz aufdecken. Bei Fehlen solcher Fehler können der Sender und der Empfänger vertrauensvoll den Rest der Daten untereinander als gemeinsamen geheimen Schlüssel für die anschließenden codierten Übertragungen verwenden. Quantenkanäle leiden jedoch in. der Praxis aufgrund der Detektor-Dunkelzählsignale und der von der Umgebung verursachten Schwankungen des Polarisationszustandes (oder Phasenzustandes) in der Faser und dergleichen an unvermeidbaren Hintergrundfehlerraten. In diesem Fall enthält die öffentliche Diskussionsphase eine zusätzliche Stufe der Fehlerkorrektur und der sogenannten "Privatverstärkung", wie in unserer obenerwähnten anhängigen, heute eingereichten, internationalen Anmeldung (Res: 80/4541/03) genauer beschrieben ist. Dies stellt beides sicher, daß der Sender und der Empfänger identische Schlüssel erhalten und das irgendwelche Schlüsselinformationen, die an einer Abzweigstelle verloren gehen, ein beliebig kleiner Bruchteil eines Bits sind. Diese Prozedur ist beschrieben in "Experimental Quantum Cryptography", J. Cryptology, 5, 3 (1992), von C. H. Bennett, F. Bessette, G. Brassard, L. Salvail und J. Smolin.
Fig. 3 zeigt ein Kommunikationssystem auf Glasfaserbasis genauer, das die vorliegende Erfindung verwendet. Das System umfaßt einen Sender 1, einen Empfänger 2 sowie eine Übertragungsglasfaser 3, die den Sender mit dem Empfänger verbindet. Der Sender enthält zwei Lichtquellen 4, 5, die jeweils mit einem gepulsten Halbleiterlaser versehen sind. Im vorliegenden Beispiel ist jeder Laser eine Laserdiode der Hitachi-Serie HL1361 DFB, der mit 5 mW Lichtleistung bei 1290-1330 nm arbeitet. Die zwei Laser werden synchron betrieben. Die Ausgangsimpulse werden über Pfade mit unterschiedlicher Länge zum Übertragungssystem geführt, so daß zwischen den Impulsen eine vorgegebene Verzögerung bewirkt wird. Wenn das System für Quantenübertragungen verwendet wird, wird in den Pfad der von den Lasern ausgegebenen Impulse ein Dämpfungsglied 13 geschaltet, um die Intensität auf einen Pegel zu reduzieren, bei dem jeder Impuls im Mittel nicht weniger als 1 Photon umfaßt. Die gedämpften Impulse werden anschließend in einem Faserkoppler 14 geteilt, um sie durch zwei Zweige zu leiten, von denen einer eine Faserverzögerung 15 und der andere einen Phasenmodulator 6 enthält. Wie oben beschrieben worden ist, wird der Phasenmodulator verwendet, um auf die Paare von Einzelphotonimpulsen von den Quellen unter Verwendung einer willkürlich ausgewählten Codierungsbasis Paare von Phasenoperatoren anzuwenden. Die resultierenden Signale werden in die Übertragungsfaser 3 eingekoppelt und zum Empfänger übertragen. Im Empfänger werden die Impulse erneut auf zwei Pfade aufgeteilt, von denen einer eine Faserverzögerung und der andere einen Phasenmodulator enthält. Die Signale der beiden Zweige werden anschließend rekombiniert und an die zwei Einzelphotondetektoren 7, 8 ausgegeben. Ähnlich den Laserquellen sind die Detektoren über Pfade unterschiedlicher Länge mit dem System verbunden, so daß eine Verzögerung bewirkt wird, die zu derjenigen, die an den Quellen bewirkt wird, komplementär ist.
Die Erfassungsschaltungen sind in Fig. 4 genauer gezeigt. Jeder Detektor ist eine Lawinen-Photodiode, die jenseits ihres Durchbruchs vorgespannt ist und im Geigermodus mit passiver Löschung arbeitet, wie in P. D. Townsend, J. G. Rarity und P. R. Tapster, Electronic Letters, 29, 634 (1993), beschrieben ist. Silicium-APDs, wie z. B. der SPCM-100-PQ (GE Canada Electro Optics) können im Wellenlängenbereich 400-1060 nm verwendet werden, während Germanium- oder InGaAs-Vorrichtungen wie z. B. MDL5102P oder MDL5500P (NEC) im Bereich 1000-1550 nm verwendet werden können. Ein Unterscheidungsmerkmal der vorliegen den Erfindung besteht darin, das sie einen Betrieb bei Wellenlängen um 1300 nm praktisch möglich macht. Bei dieser Wellenlänge leiden die Detektoren des obenbeschriebenen Typs unter relativ starken Dunkelzählsignalraten. Die vorliegende Erfindung reduziert jedoch den Datenverlust aufgrund der Dunkelzählsignale erheblich. Es sei ein Detektor mit einer Dunkelzählsignalrate η betrachtet, der zum Zählen von Photonen in einem Zeitintervall τ verwendet wird. Die Anzahl der Dunkelzählsignale in diesem Intervall beträgt ητ wobei diese Zahl kleiner als 1 ist. Wenn zwei solche Detektoren verwendet werden, ist die Anzahl der Koinzidenz-Zählsignale gleich (ητ)2, was im allgemeinen erheblich kleiner ist als die Anzahl der Zählsignale bei einem einzelnen Detektor.
Als eine Alternative zu APD's können andere Einzelphotondetektoren verwendet werden, wie z. B. Photomultipliziererröhren (PMTs).
Die Fig. 5a und 5b zeigen das Koinzidenz-Erfassungssystem genauer. Die elektrischen Impulse von den beiden APDs werden verstärkt und anschließend durch einen Diskriminator geleitet. Der Diskriminator unterdrückt das Verstärkerrauschen mit niedrigem Pegel durch Erzeugen eines elektrischen Impulses mit definierter Höhe und Breite nur dann, wenn die verstärkten Signale einen spezifischen Schwellenpegel überschreiten. Die Verstärker- und Diskriminatormodule LeCroy 612A und 622 sind für diesen Zweck geeignet. Die verarbeiteten Impulse von den beiden Detektoren werden als Eingänge für die zwei Eingangskanäle eines Koinzidenz-Gatters wie z. B. des LeCroy 622 verwendet. Wenn dieses Modul im UND-Modus arbeitet, wird nur dann ein Ausgangsimpuls erzeugt, wenn innerhalb von 8 ns an beiden Eingängen Impulse ankommen. Die zeitliche Breite des Koinzidenz-Fensters bedeutet, daß die zwei Impulspaare in der Faser um mehr als 8 ns getrennt sein müssen, um eine falsche Koinzidenzerfassung zu vermeiden.
Als Alternative zur Verwendung der gedämpften Halbleiterlaser können zwei Einzelphotonquellen vorgesehen sein, die die parametrische Abwärtskonversion verwenden. Eine geeignete Quelle dieses Typs ist in Fig. 4a gezeigt, die einen nichtlinearen Kristall NLC verwendet, der aus KDP gebildet ist. Es ist vorteilhaft, zwei solche Schaltungen zu verwenden, die synchron angesteuert werden, um die zwei Quellen zu schaffen. Wenn anschließend die Ausgänge der zwei Quellen-Photodetektoren miteinander UND-Verknüpft werden, wie in Fig. 4b gezeigt, kann festgestellt werden, wann die erforderlichen gleichzeitigen Ausgangssignale erzeugt worden sind. Der Sender kann dann so beschaffen sein, daß er Daten speichert, d. h. das Aufzeichnen der Modulationsbasis und des codierten logischen Wertes wird nur für diejenigen Zeitschlitze bewirkt, in denen eine gleichzeitige Ausgabe stattgefunden hat. Dies vermeidet das Speichern redundanter Daten.
Als eine Alternative kann ein einzelner Abwärtskonversions-Kristall verwendet werden, um beide Quellen zu schaffen. In diesem Fall werden der Photodetektor und das Gatter aus der Schaltung eliminiert, wobei die zwei Ausgangszweige des Kristalls die beiden Quellen bilden. Bei dieser Anordnung ist nicht bekannt, wann gleichzeitige Ausgangssignale aufgetreten sind, so daß es erforderlich ist, für jeden Zeitschlitz Daten zu speichern.
Das hier beschriebene Beispiel ist so beschaffen, daß es eine Kalibrierungsfunktion ausführt, wie in der anhängigen britischen Patentanmeldung Nr. 9226995.0 der vorliegenden Anmelder beschrieben ist. Zu diesem Zweck ist der Sender mit einem alternativen Ausgangspfad der Halbleiterlaser versehen, der das Dämpfungsglied umgeht. Dieser erzeugt ein helles Multiphotonensignal, das über das Netz übertragen wird und sowohl zur anfänglichen Kalibrierung des Netzes als auch für die öffentliche Diskussionsphase des Quantenchiffrierprotokolls verwendet wird. Um die Multiphotonenimpulse von den Quellen zu empfangen, ist im Empfänger ein komplementärer Standarddetektor 9 vorgesehen.
Im Betrieb wird jede Kommunikation zwischen dem Sender und dem Empfänger initialisiert, indem die Multiphotonensignale verwendet werden, um die Ausgangspolarisation der Übertragungsfaser 3 zu messen. Ein Polarisationskompensator 10 im Empfänger 2 wird anschließend über eine Rückkopplungsschleife eingestellt, um die Ausgangspolarisation zu linearisieren und diese an die bevorzugte Polarisationsachse des Empfängers anzupassen. Für den Fall der Phasencodierung verwenden der Sender und Empfänger anschließend die Multiphotonensignale, um die relative Phasenverschiebung in ihrem Interferometer zu kalibrieren. Dies verwendet das Einstellen der Wechselstrom- Ansteuerspannungen für die entsprechenden Phasenmodulatoren 20 und die Verwendung der Rückkopplungsschleife, um den Ausgang vom Interferometerausgangsanschluß zu maximieren, indem entweder die Gleichspannungsvorspannung für den Modulator des Empfängers verändert wird, oder eine zusätzliche Phasenverschiebungskomponente verwendet wird. Dies schließt anschließend die Kalibrierung des Systems ab. Die optischen Schalter im Sender und Empfänger werden anschließend so gesetzt, daß ein Quantenkanal eingerichtet wird, indem die Quelle mit niedriger Intensität und die Einzelphotondetektoren jeweils mit der Übertragungsfaser verbunden werden.
Die Kalibrierungsschritte können anschließend bei Bedarf intermittierend wiederholt werden.
Die helle Multiphotonenquelle kann ferner verwendet werden, um dem Empfänger einen Systemtakt mitzuteilen und die Zeitschlitze des Senders und des Empfängers zu synchronisieren. Während dieses Vorgangs wird der Ausgang vom öffentlichen Kanaldetektor über ein elektronisches Filter 11 geleitet, um ein Schwingungssignal mit Impulswiederholfrequenz zu erzeugen. Dieses wird anschließend verwendet, um einen lokalen Oszillator 12 im Empfänger auf die Lichtquellenfrequenz einzurasten. Dieser lokale Oszillator erzeugt anschließend die Zeitsteuerungsinformationen, die vom Empfänger während der Quantenübertragungsstufe des Protokolls benötigt werden. Jedes mal, wenn das Übertragungssystem über den öffentlichen Kanal neu kalibriert wird, kann der lokale Oszillator zeitlich erneut eingestellt werden, um das Akkumulieren irgendwelcher zeitlicher Fehler zu vermeiden.
Der Quantenschlüsselverteilungskanal ist so beschaffen, das er unabhängig von anderen Übertragungskanälen arbeitet, die zwischen dem Sender und dem Empfänger geführt werden und entweder verschlüsselte Daten oder Standardsignale (unverschlüsselt) führen. Dies ist wichtig, da der Quantenkanal in einem nichtkontinuierlichen Bündelübertragungsmodus arbeitet, während die Datenkanäle im allgemeinen eine ununterbrochene kontinuierliche Übertragung bieten müssen. Die erforderliche Trennung des Quantenkanals kann durch Verwendung einer reservierten Wellenlänge bewerkstelligt werden, die sich von derjenigen unterscheidet, die für die Datenkanäle verwendet wird. In diesem Fall kann der Quantenkanal mittels wellenlängenempfindlicher passiver optischer Komponenten wie z. B. WDM-Kopplern (z. B. Scifam Fibre Optics P25WM13/15B) und Filter (z. B. JDS TB1300A) isoliert werden. Der Quantenkanal kann innerhalb des 1300nm-Telekommunikationsfensters gemeinsam mit mehreren anderen Kanälen liegen, die für den herkömmlichen Signalverkehr reserviert sind.
Alternativ ist das 850nm-Fenster für den Quantenkanal reserviert. Dies hat den Vorteil, daß Einzelphotondetektoren für diese Wellenlänge (Silicium-APDs) relativ unempfindlich gegenüber Licht mit 1300 nm sind und somit die Isolierung von den Datenkanälen einfacher erreicht werden kann. Dieser Lösungsansatz erfordert WDM-Koppler wie z. B. den JDS WD813, um die Quantenkanäle und herkömmliche Kanäle zu kombinieren und zu trennen. Alternativ kann das 1500-Band für den herkömmlichen Signalverkehr verwendet werden, während das 1300nm-Band für den Quantenkanal reserviert ist. Da die Empfindlichkeit der Germanium-APDs bei 1300 nm hoch ist und für Wellenlängen größer als ungefähr 1400 nm schnell abfällt, sind diese Detektoren eine attraktive Wahl für dieses spezielle Wellenlängenaufteilungsschema. Die Wellenlängentrennungstechnik erlaubt ferner, daß aktive Komponenten wie z. B. optische Verstärker (z. B. mit Seltenerde wie z. B. Erbium oder Praseodym dotierte Faserverstärker) bei den Datenkanalwellenlängen verwendet werden, während der Quantenkanal bei einer Wellenlänge außerhalb des spontanen Emissionsspektrums des Verstärkers arbeitet. Wenn dies nicht der Fall ist, können die vom Verstärker spontan erzeugten Photonen leicht die Detektoren des Quantenkanals sättigen.
Alternativ ist es möglich, die Quanten- und Datenkanäle mit derselben Wellenlänge zu betreiben, wobei die Isolierung mittels Polarisations- oder Zeitverschachtelung erreicht wird. Der erste Fall verwendet die Phasencodierung für den Quantenkanal, wie z. B. in unserer anhängigen internationalen Anmeldung PCT/GB 93/02637 beschrieben ist. Der Datenkanal arbeitet im orthogonalen Polarisationsmodus der Faser, wobei die Isolierung mittels Polarisationsteilungskopplern wie z. B. dem JDS PB 100 erreicht wird. Im Zeitteilungsschema sind bestimmte Zeitschlitze für Multiphotonendatenimpulse reserviert, die von Standardempfängern detektiert werden, die über Standardfaserkoppler mit dem Netz verbunden sind. Die Sättigung der Einzelphotondetektoren während dieser Zeitschlitze kann entweder mittels schaltbarer Dämpfungsglieder (Intensitätsmodulatoren) oder durch Abschalten der Rückwärtsvorspannung der Vorrichtungen verhindert werden. Jede dieser Isolierungstechniken kann ebenfalls verwendet werden, um die Systemzeitsteuerungsinformationen gleichzeitig mit den Quantenschlüsseldaten zu senden. Dieser Lösungsansatz kann nützlich sein, wenn z. B. das Zeitsteuerungszittern auf den lokalen Empfängeroszillatoren zu groß ist, um über die für die Quantenübertragung erforderliche Zeitspanne eine Systemsynchronisierung zu erreichen. Eine weitere alternative Technik erzeugt die Zeitsteuerungsdaten gleichzeitig mit der Quantenübertragung unter Verwendung derselben Wellenlänge wie im Quantenkanal. Der Empfänger enthält nun zusätzlich einen Standarddetektor wie z. B. einen empfindlichen PIN-FET, der mittels einer weichen Faseranzapfung mit der Übertragungsfaser verbunden ist, die z. B. bis zu 10 % der ankommenden Impulsintensität abspaltet. Die Intensität jedes n-ten Impulses wird ausreichend groß gemacht, z. B. 10&sup5; Photonen, so daß der Standarddetektor einen Impuls registriert, der für Zeitsteuerungszwecke verwendet werden kann. Wenn n ausreichend groß ist, z. B. 1000, leiden die APDs nicht unter Erwärmungseffekten oder unter einer Sättigung, wobei ein Frequenzmultiplizierer mit dem Faktor 1000 im Empfänger verwendet werden kann, um einen lokalen Oszillator mit der Taktfrequenz zu erzeugen.
Obwohl die Ausführungsform der Fig. 3 eine einfache Punkt-Zu-Punkt-Konfiguration verwendet, ist klar, daß die vorliegende Erfindung in einem weiten Bereich von unterschiedlichen Systemtopologien verwendet werden kann. Diese umfassen Mehrfachzugriff-Netze mit z. B. Stern-, Baum- oder Ringkonfigurationen und können einen Rückkopplungspfad vom Empfänger zum Sender enthalten, wie in unseren obenerwähnten anhängigen europäischen Patentanmeldungen beschrieben ist. Wie in diesen Anmeldungen beschrieben ist, kann der Sender unmodulierte Signale ausgeben, die im Empfänger moduliert und zum Sender zurückgegeben werden.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, die ein Mehrfachzugriff-Netz verwendet, das mehrere Empfänger R1, R2 ... mit einem Sender in Form einer Steuervorrichtung" verbindet, der sowohl eine Sendestufe TS als auch eine Detektorstufe DS enthält. Die Fig. 5a und 5b zeigen die Sender- und Detektorstufen genauer. In der Senderausgangsstufe dieser Ausführungsform arbeitet ein erster gepulster Halbleiterlaser 51 bei einer Wellenlänge λq, wobei z. B. λq = 1300 nm die Lichtquelle für den Quantenkanal darstellt. Der Laser und ein Modulatortreiber 55 für einen Phasenmodulator 54 werden von einem Mikroprozessor 56 gesteuert. Der Phasenmodulator ist in einem Zweig des Senders angeordnet. Eine Polarisationssteuervorrichtung PC (z. B. BT&D/HP MCP1000) ist im anderen Zweig des Senders angeordnet. Ein zweiter Halbleiterlaser 52 stellt eine helle Multiphotonenquelle bei einer Wellenlänge λs zur Verfügung, wobei z. B. λs = 1560 nm gilt. Dieses Signal wird wie oben beschrieben für die Zeitsteuerung und Kalibrierung verwendet. Das Signal bei λs wird über einen WDM-Koppler 57, der z. B. eine Vorrichtung der Serie JDS WD1315 sein kann, mit dem Ausgang des Senders gekoppelt.
Als Alternative zur Verwendung getrennter Quellen für den Quantenkanal und den Zeitsteuerungskanal kann ein einzelner Halbleiterlaser verwendet werden, dessen Ausgang über einen verschmolzenen Faserkoppler FC in zwei unterschiedliche Zweige eingespeist wird, von denen einer ein Dämpfungsglied enthält und der andere nicht gedämpft ist, wie in den obenbeschriebenen Ausführungsformen Anschließend kann ein optischer Schalter verwendet werden, um entweder den hellen oder den gedämpften Ausgang auszuwählen. In Abhängigkeit von den Frequenzanforderungen kann entweder eine langsame elektromechanische Vorrichtung wie z. B. der JDS Fitel SW12 oder eine schnelle elektrooptische Vorrichtung wie z. B. YBBM von United Technologies Photonics verwendet werden.
Im Empfänger dieser Ausführungsform steuert ein entsprechender Steuerungsmikroprozessor 57 den Empfängerphasenmodulator 58 über einen Modulatortreiber 59. Der Empfängersteuerprozessor steuert ferner eine Detektorvorspannungsquelle 60 für die zwei Einzelphotondetektoren 601, 602. Sowohl im Sender als auch im Empfänger, werden dort, wo sich die Signalpfade verzweigen, verschmolzene 50/50- Faserkoppler verwendet. Geeignete Koppler sind von SIFAM im Handel erhältlich, wie z. B. das Modell P22S13AA50. Das Zeitsteuersignal bei λs wird von einem PIN-FET-Empfänger 64 detektiert.
Geeignete Phasenmodulatoren 54, 58 für die Datencodierung und -decodierung sind Lithium-Niobat- oder Halbleiterphasenmodulatoren, die z. B. bei 1-10 MHz arbeiten. Eine geeignete Lithium-Niobat-Vorrichtung ist im Handel erhältlich als IOC PM1300. Ein geeigneter Treiber für die Phasenmodulatoren ist der Tectronix AWG2020, wobei dieser ferner als Taktgenerator für das System verwendet werden kann. Für Einzelphotondetektoren können APDs verwendet werden, wie oben mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben worden ist. Deutliche Verbesserungen können erreicht werden, indem die Phasenmodulatoren und die in den Fig. 5a und 5b gezeigten Faservorrichtungen zu einzelnen integrierten Strukturen kombiniert werden. Variationen des aktuellen Entwurfs oder desjenigen, der in P. D. Townsend, J. G. Rarity und P. R. Tapster, Electronic Letters, 29, 634 (1993), beschrieben ist, können auf einem Lithium-Niobat Chip integriert werden, wobei die Faserpfade durch Wellenleiter und den durch Elektroden definierten Modulatorbereich ersetzt werden, wie in einer Standardvorrichtung. Alternative Herstellungsverfahren umfassen z. B. photorefraktiv definierte, ebene Siliciumoxid-Wellenleiterstrukturen oder Halbleiter-Wellenleiterstrukturen. Im allgemeinen sollte die Integration zu einer verbesserten Stabilität und Kompaktheit für die Sender- und Empfängerstrukturen führen. Genauer verwendet diese Ausführungsform einen NEC 5103 Ge APD, der unter Verwendung z. B. eines Hughes 7060H Kryo-Kühlers oder eines Flüssigstickstoffkühlers oder eines Kryostaten auf 77 K gekühlt wird. Im Sender dieser Ausführungsform wird für den Quantenkanal eine einzige Quelle verwendet, wobei die Verzögerung zwischen den zwei Impulsen durch eine Verzögerungsschleife D in einem der zwei mit der Quelle verbundenen Zweige erzeugt wird.
Das Schlüsselverteilungsprotokoll erfordert, daß jedes Paar empfangener Photonen einer gegebenen Taktperiode zugeordnet wird und ferner in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Koinzidenz-Erfassung und dem Zustand des Modulators wie oben beschrieben als eine 0 oder eine 1 identifiziert wird. Diese Funktionen werden von einer Zeitintervallanalysevorrichtung 62 ausgeführt (z. B. Hewlett-Packard 53110A). Die Startsignale für diese Vorrichtung werden vom APD-Ausgang nach der Verarbeitung durch die Verstärker, Diskriminatoren und ein Koinzidenz- Gatter zur Verfügung gestellt, wie bereits genauer beschrieben wurde.
Das obenerwähnte Zeitsteuerungssignal kann die Form entweder eines einzelnen Auslöseimpulses annehmen, der anschließend verwendet wird, um ein Bündel von Schlüsseldaten auf dem Quantenkanal einzuleiten, oder die Form eines kontinuierlichen Stromes von Impulsen mit der Systemtaktfrequenz, die zum erneuten zeitlichen Ausrichten des Empfängertaktes zwischen den Schlüsselübertragungen verwendet werden. Bevor die Schlüsselübertragung beginnt, verändert der Empfänger den Phasenmodulator- Gleichspannungsvorspannungspegel, um die Phasenverschiebung im Interferometer auf 0 zu setzen (d. h. die Photonenübertragungswahrscheinlichkeit wird an einem Ausgangsanschluß maximiert und am anderen minimiert). Die Fig. 5a und 5b zeigen ferner die relativen räumlichen und zeitlichen Änderungen sowie die Polarisationsänderungen, die die zwei Komponenten eines Quantenkanalimpulses erfahren, wenn sie sich durch den Sender und Empfänger ausbreiten. Wenn alle Fasern im System polarisationserhaltend sind, sind im System keine aktive Polarisationskontrolle und keine statischen Polarisationssteuervorrichtungen erforderlich. Wenn jedoch eine Standardfaser für die Übertragungsverbindung verwendet wird, ist am Eingang des Empfängers eine aktive Polarisationskontrolle erforderlich. Dies kann durchgeführt werden, indem ein Standarddetektor, eine Rückkopplungsschaltung und eine automatisierte Polarisationskontrolle verwendet wird, wie in unserer anhängigen internationalen Anmeldung PCT/GB 93/02637 (WO94/15422) beschrieben ist.
Die Erfindung kann in einem Netz implementiert werden, in dem einer oder mehrere Empfänger ein empfangenes Einzelphotonsignal modulieren und zum Sender zurückgeben, wo eine Einzelphotonerfassung stattfindet. Solche Netze sind in der PCT/GB 93/02637 beschrieben. Ein möglicher Angriff auf eine solche Implementierung erfordert, daß der Abhörer den Quantenkanal auf beiden Seiten eines gegebenen Benutzer-Bob abfängt. Anschließend kann der Abhörende durch Senden und Detektieren eines Multiphotonensignals den Zustand des Modulators des Bob eindeutig bestimmen. In der Praxis ist es für den Abhörer wiederum sehr schwierig, Verbindungen zu zwei oder mehr Punkten im Netz herzustellen. Wenn es erwünscht ist, vor einem Angriff des obenbeschriebenen Typs zu schützen, kann dies trotzdem bewerkstelligt werden, indem wenigstens einer der Empfänger am Netz mit einem Photonendetektor versehen wird, der über eine relativ weiche Anzapfung mit dem Netz verbunden ist. Dieser Photonendetektor muß weder die Empfindlichkeit des herkömmlicherweise in Empfängern verwendeten Einzelphotondetektors aufweisen, noch muß jeder Benutzer einen solchen Detektor besitzen. Das Vorhandensein eines solchen Detektors im Netz erleichtert die Erfassung irgendeines vom Abhörer verwendeten Multiphotonenimpulses.
In Ausführungsformen, die eine Mehrfachzugriff-Schleife verwenden, hat der Sender am Ende der öffentlichen Diskussionsphase eine eindeutige Sequenz von r geheimen Bits mit jedem i-ten Endgerät Ri am Netz eingerichtet. Diese geheimen Bits können sowohl für die Autentisierung als auch die Erzeugung eines entsprechenden gemeinsamen Schlüssels Ki verwendet werden, wie für die Standard- Punkt-Zu-Punkt-Anwendung in J. Cryptology, 5, 3 (1992), von C. H. Bennett, F. Bessette, G. Brassard, L. Salvail und J. Smolin und in Bennett/Brassard IBM Techn. Discl. (bereits erwähnt) beschrieben ist. Bei Bedarf kann die Steuervorrichtung bzw. der Sender anschließend den individuellen Schlüssel Ki als Schlüssel bei der einmaligen Verschlüsselung eines Master-Netzschlüssels oder mehrerer solcher Schlüssel verwenden. Der letztere kann sicher an alle Empfänger/Endgeräte oder an Teilmengen der Endgeräte am Netz verteilt werden. Folglich werden zwei Typen von verschlüsselter Kommunikation möglich. In der 1-zu-1- Kommunikation verwendet die Steuervorrichtung Ri den Schlüssel Ki, um die Multiphotonendatensignale zu verschlüsseln, die in irgendeiner Richtung auf dem Netz übertragen werden. Obwohl somit diese Signale auf dem Netz übertragen werden und daher allen Empfängern zugäng lich sind, können nur Ri und die Steuervorrichtung diese bestimmten Datenübertragungen decodieren. In diesem Szenario kann ein sicherer Zwischen-Endgerät-Datenaustausch zwischen z. B. Ri und Rj immer noch stattfinden, wobei jedoch die Steuervorrichtung als Interpreter wirken muß, der sein Wissen Ki und Kj verwendet, um die ankommenden und abgehenden Signale zu decodieren bzw. zu codieren. Ferner können unter Teilmengen der Endgeräte, die einen Master-Schlüssel gemeinsam nutzen, ein freier Datenaustausch stattfinden, wobei in diesem Fall dann, wenn ein Übertragungspfad über die Steuervorrichtung führt, die Steuervorrichtung nur das Leiten oder das Zurücksenden der ankommenden codierten Daten ausführen muß. Um die Sicherheit aufrechtzuerhalten, kann periodisch ein neuer Schlüssel übertragen werden. TABELLE 1 TABELLE 2

Claims

1. Nachrichtenaustauschverfahren, das ein Quanten- Chiffriersystem verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlüsselungsalphabet, das bei der Codierung von Signalen für die Übertragung auf einem Quantenkanal verwendet wird, Paare von Operatoren aufweist, die sukzessive auf Einzelphotonsignale angewendet werden, die auf dem Quantenkanal mit einer vorgegebenen gegenseitigen Verzögerung übertragen werden, und daß in einem Schritt des Erfassens der Einzelphotonsignale die unterschiedlichen Signale jedes Paars entsprechend ihrem Codierungszustand aufgeteilt und an verschiedene Detektoren über Pfade gelenkt werden, die ihren eine differentielle Verzögerung verleihen, die zu der vorgegebenen Verzögerung im wesentlichen komplementär ist, und eine Koinzidenzerfassung bei den Detektoren verwendet wird, um falsche Zählsignale zu beseitigen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt des Codierens jedes Einzelphotonsignals das Einzelphotonsignal auf zwei Pfade aufgeteilt wird, wovon nur einer einen Phasen- oder Polarisationsmodulator enthält, wobei die Signale von den beiden Pfacen vor dem Schritt des Erfassens rekombiniert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in einem der beiden Pfade eine Verzögerung erzeugt wird, um die beiden Pfade im Zeitbereich zu trennen.

4. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Decodierens der Einzelphotonsignale die zufällige Wahl einer Erfassungsbasis und auf dieser Erfassungsbasis das Anwenden eines ersten Operators auf ein erstes ankommendes Photon des Paars und eines zweiten, verschiedenen Operators auf ein zweites ankommendes Photon des Paars oder alternativ das Anwenden des zweiten Operators auf das erste Photon und des ersten Operators auf das zweite Photon enthält; wobei dann, wenn ein komzidenter Ausgang erhalten wird, das Signal entsprechend der gewählten alternativen Operatorsequenzen als logische 1 oder als logische 0 erfaßt wird.

5. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Einzelphotonsignale eine Wellenlänge in der Umgebung von 1300 nm besitzen.

6. Nachrichtenaustauschsystem, mit Einrichtungen (4, 5; Fig. 3) zum Erzeugen von Paaren von Einzelphotonsignalen, einer Einrichtung (6) zum sukzessiven Anwenden von Paaren von Operatoren auf die Einzelphotonsignale und zum Ausgeben der Signale auf einen Quantenkanal mit vorgegebener gegenseitiger Verzögerung, einem Paar von Detektoren (7, 8), die mit dem Quantenkanal über Pfade verbunden sind, die eine differentielle Verzögerung verleihen, die zu der vorgegebenen Verzögerung komplementär ist, einer Einrichtung zum Aufteilen ankommender Einzeiphotonsignale entsprechend ihren Codierungszuständen und zum Lenken dieser Signale an die verschiedenen Detektoren und einer Einrichtung zum Erfassen der koinzidenten Ankunft der Signale bei den Detektoren.

7. System nach Anspruch 6, in dem die Einrichtungen zum Erzeugen von Paaren von Einzelphotonsignalen (4, 5) ein Paar von Lichtquellen enthalten, die über verschiedene Pfade, die die vorgegebene differentielle Verzögerung verleihen, mit dem Quantenkanal verbunden sind.

8. System nach Anspruch 7, mit einer Einrichtung, die erfaßt, wenn komzidente Ausgänge von den beiden Quellen erzeugt werden.

9. System nach Anspruch 8, in dem die Lichtquellen ein Paar von parametrischen Abwärtsumsetzungsquellen enthalten, wovon jede in einem ihrer Ausgangszweige einen Detektor enthält, wobei die Ausgangssignale der beiden Detektoren in den jeweiligen Quellen UND-verknüpft werden, um ein Signal zu erzeugen, das einen koinzidenten Ausgang von den beiden Quellen anzeigt.

10. System nach irgendeinem der Ansprüche 6-9, in dem die Detektoren Lawinenphotodioden (APD) sind.

11. System nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 10, in dem die Einrichtung für die Erfassung einer koinzidenten Ankunft ein Koinzidenzgatter enthält, das mit den verschiedenen Detektoren verbunden ist.

12. System nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 11, in dem der Quantenkanal von einem Mehrfachzugriffnetz getragen wird.