JP2012165455A - 量子暗号通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量子暗号通信を行う送信機と受信機との間の相対的位置が変化する場合に、送信機と受信機との間で信号を同期させる。
【解決手段】送信機１０１である衛星は時刻Ｔ１において地上局Ａ（１０２Ａ）上に位置し、量子鍵αを生成し、量子鍵αをデータＡに重畳してレーザ光を用いて地上局Ａに送信する。送信機１０１は時刻Ｔ２において地上局Ｂ（１０２Ｂ）上まで移動し、量子鍵βを生成し、量子鍵βをデータＢに重畳してレーザ光を用いて地上局Ｂに送信する。送信機１０１は、量子鍵αと量子鍵βの排他的論理和により第３の量子鍵γを生成し、通常の通信手段により地上局Ａ及び地上局Ｂに送信する。地上局Ａは、自己の保持する量子鍵αと第３の量子鍵γとの排他的論理和により、量子鍵βを生成する。地上局Ｂは、自己の保持する量子鍵βと第３の量子鍵γとの排他的論理和により、量子鍵αを生成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、特に、量子暗号通信方法に関し、特に、衛星等における移動体通信のように量子暗号通信を行う送信機と受信機との間の相対的位置が変化する場合に適した量子暗号通信方法に関する。

量子暗号通信において、送信機と受信機との間の同期のために、送信機と受信機とで折り返し用の同期信号を生成して送信する方法が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

また、量子暗号通信において、弱い量子信号の検出を確実に行うために、ＱＫＤステーションの間で同期パルスを交換して位相をロックする方法が提案されている（特許文献３参照）。

更に、量子暗号通信において、光クロックを光検出器で検出し、その検出出力を狭帯域のフィルタを介してシンセサイザに入力してタイミングを生成する方法が提案されている（特許文献４参照）。

特開２００５−２６０９１１号公報 特開２００５−１１７５１２号公報 特表２００６−５１３６７８号公報 特開２００４−３５６９９６号公報

前記特許文献１及び特許文献２によれば、折り返し用の同期信号に基づいて、送信機側において、常に位相同期をとる必要があり、このために、古典的な通信経路、例えば光ファイバからなる折り返し伝送路が必須である。従って、衛星等における移動体通信のように送信機と受信機との間の相対的位置が変化する即ち光の到来角度が変化する通信（以下、移動体通信という）には、量子暗号通信を適用することができなかった。

また、前記特許文献３によれば、同期パルスに基づいて、常に位相をロックする必要があり、このために、前述の古典的な通信経路である折り返し伝送路が必須である。従って、前述の場合と同様に、移動体通信には量子暗号通信を適用することができなかった。

更に、前記特許文献４によれば、送信機及び受信機において同様の光クロック信号を受信する必要があり、また、クロック信号がデータ信号である場合には対応できない。

以上に加えて、本発明者の検討によれば、移動体通信に量子暗号通信を適用しようとする場合、量子暗号に用いる偏光基底軸を、移動体通信を行う移動体間において、受信側で検出することができないという新たな問題が生じる。従って、量子暗号に用いる偏光基底軸を受信側で検出することができれば、移動体通信に量子暗号通信を適用することができると考えられる。

また、本発明者の検討によれば、移動体通信に量子暗号通信を適用しようとする場合、量子鍵配布において光子（光子パルス）の到着時間を計測する際に、送信系と受信系に正確な時刻を刻む時計を持ち計測する必要があり、両者の時刻を合わせることが難しいという新たな問題が生じる。従って、送信系と受信系において正確に両者の時刻を合わる（又はこれに相当する手段を得る）ことができれば、移動体通信に量子暗号通信を適用することができると考えられる。

本発明は、量子暗号通信を行う送信機と受信機との間で、送信機と受信機との間で信号を同期することができる量子暗号通信方法を提供することを目的とする。

本発明の量子暗号通信方法は、送信機が、第１の量子鍵を生成し、前記第１の量子鍵を第１のデータに重畳して第１局にレーザ光を用いて送信し、前記第１局が、前記第１のデータ及び前記第１の量子鍵を受信して保持し、前記送信機が、第２の量子鍵を生成し、前記第２の量子鍵を第２のデータに重畳して第２局にレーザ光を用いて送信し、前記第２局が、前記第２のデータ及び前記第２の量子鍵を受信して保持し、前記送信機が、前記第１の量子鍵と前記第２の量子鍵の排他的論理和により第３の量子鍵を生成し、前記第１局及び前記第２局に送信し、前記第１局が、自己の保持する前記第１の量子鍵と前記第３の量子鍵との排他的論理和により、前記第２の量子鍵を生成し、前記第２局が、自己の保持する前記第２の量子鍵と前記第３の量子鍵との排他的論理和により、前記第１の量子鍵を生成する。

また、好ましくは、本発明の量子暗号通信方法においては、前記送信機と前記第１局及び第２局とに設けられた第１通信手段が、前記送信機と前記第１局及び第２局との間において、オンの期間とオフの期間とを含む２値の光信号であって量子暗号信号と比較してその強度が比較的強いパルス光からなる通信信号を送受信し、前記送信機と前記第１局及び第２局とに設けられた第２通信手段が、前記送信機と前記第１局及び第２局との間において、前記通信信号の送受信中であって前記通信信号が前記オフの期間に、２値の光信号であって前記通信信号と比較してその強度が比較的弱いパルス光からなる量子暗号信号を送受信し、前記第１及び第２通信手段が、前記通信信号と前記通信信号に重畳された前記量子暗号信号とを同一の光軸で送受信する。

また、好ましくは、本発明の量子暗号通信方法においては、前記第２通信手段が、前記量子暗号信号を、前記通信信号が前記オフの期間において、前記通信信号の立ち下りに同期して当該立下りから予め定められた遅延時間の経過後に送受信する。

また、好ましくは、本発明の量子暗号通信方法においては、前記第１又は第２通信手段が、前記通信信号の伝送速度に対応してインクリメントされ、前記通信信号の伝播遅延より長い周期でリセットされるカウンタを備え、前記カウンタを用いて、相対時間の遅延を検出する。

また、好ましくは、本発明の量子暗号通信方法においては、前記第１通信手段が、前記第２通信手段により送受信される前記量子暗号信号の光子パルスの偏光基底に合わせて、前記通信信号の偏光変調を行う。

本発明の量子暗号通信方法によれば、送信機が、第１の量子鍵を第１のデータに重畳してレーザ光を用いて第１局に送信し、第２の量子鍵を第２のデータに重畳してレーザ光を用いて第２局に送信すると共に、第１の量子鍵と第２の量子鍵の排他的論理和により生成した第３の量子鍵を第１局及び第２局に送信する。これにより、第１局が自己の保持する第１の量子鍵と第３の量子鍵との排他的論理和により第２の量子鍵を生成し、第２局が自己の保持する第２の量子鍵と第３の量子鍵との排他的論理和により第１の量子鍵を生成することができ、第１局及び第２局が量子鍵を共有することができる。

また、本発明の量子暗号通信方法によれば、第１通信手段が比較的強いパルス光からなる通信信号を送受信し、第２通信手段が通信信号がオフの期間に比較的弱い量子暗号信号を送受信する。これにより、古典的な通信経路、例えば光ファイバからなる伝送路を不要とすることができ、衛星等における移動体通信に、量子暗号通信を適用することができる。また、通信信号の種類を問わないので、通信信号がデータ信号であっても量子暗号通信を適用することができる。また、本発明の量子暗号通信方法によれば、通信信号と通信信号に重畳された量子暗号信号とが同一の光軸で送受信される。これにより、調整すべき光軸が１本で良いので、送信機と受信機との間で容易に光軸を合わせることができる。

また、本発明の量子暗号通信方法によれば、量子暗号信号が、通信信号がオフの期間において、通信信号の立ち下りに同期して当該立下りから予め定められた遅延時間の経過後に送受信される。これにより、比較的強いパルス光からなる通信信号に妨害されることなく、比較的弱い（実際には極微弱な）量子暗号信号を送受信することができる。

また、本発明の量子暗号通信方法によれば、通信信号の伝送速度に対応してインクリメントされ通信信号の伝播遅延より長い周期でリセットされるカウンタを用いて、相対時間の遅延が検出される。これにより、量子鍵配布において光子の到着時間を計測する際に、送信系と受信系に正確な時刻を刻む時計を持つ必要を無くすことができ、両者の時刻を合わせる必要も無くすことができる。

また、本発明の量子暗号通信方法によれば、送受信された量子暗号信号の光子パルスの偏光基底に合わせて、通信信号の偏光変調が行われる。これにより、量子暗号に用いる偏光基底軸を、移動体通信を行う移動体間において、受信側で検出することができる。

本発明の量子暗号通信装置の構成図である。 本発明の量子暗号通信装置の送信機の構成図である。 本発明の量子暗号通信装置の受信機の構成図である。 本発明の量子暗号通信の説明図である。 本発明の量子暗号通信装置の他の構成図である。 本発明の量子暗号通信の適用例を示す図である。

図１は本発明の量子暗号通信装置の構成図であり、本発明の量子暗号通信装置の構成の一例を示す。

量子暗号通信装置は、送信機１０１と受信機１０２とからなり、これらの間において光信号（レーザ光）を用いた量子暗号通信を行う。送信機１０１は、例えば通信衛星１０１からなる。即ち、移動体である。受信機１０２は、例えば地上局（基地局）１０２からなる。即ち、固定局である。

量子暗号通信装置は、第１通信手段１０３と第２通信手段１０４とを備える。第１通信手段１０３は、送信機１０１及び受信機１０２に設けられ、これらの間において、比較的強いパルス光からなる通信信号を送受信する。通信信号は、例えばデータ信号（例えば、動画像等）からなる。第２通信手段１０４は、送信機１０１及び受信機１０２に設けられ、これらの間において、通信信号がオフの期間に、比較的弱い（極微弱な）量子暗号信号を送受信する。

図１から判るように、送信機１０１と受信機１０２との間の光路１０７は１本である。即ち、第１通信手段１０３による光路（伝送路又は通信経路）と第２通信手段１０４による光路とは、相互に一致する。即ち、同一の光軸１０７とされる。このために、送信機１０１には、第１通信手段１０３からの光信号と第２通信手段１０４からの光信号を重畳して出力する重畳手段１０５が設けられる。受信機１０２には、重畳して出力された光信号を受光して分離する分離手段１０６が設けられる。

図２及び図３は、各々、本発明の量子暗号通信装置の送信機１０１及び受信機１０２の構成図である。図２及び図３において、太線は光信号を示し、細線は電気信号を示す。図４は、本発明の量子暗号通信の説明図であり、特に、通信信号への量子暗号信号の重畳と、量子暗号信号の時刻の同定について示す。

最初に、図２を参照して、送信機１０１における第１通信手段１０３による通信信号の送信について説明する。送信機１０１における第１通信手段１０３は、基本的には、入力データレコーダ３、立下りトリガパルス生成回路（以下、トリガ生成回路）８、通信用レーザ１６からなる。ビームスプリッタ１７が重畳手段１０５である。

入力データの送信に先立って、ＰＮ信号（擬似ノイズ信号又は擬似ランダム信号）が、スイッチＳＷを介して、トリガ生成回路８に入力される。従って、この時点では、スイッチＳＷは、後述するスイッチ制御信号に従って、ＰＮ発生器２とトリガ生成回路８とを接続するようにされる。ＰＮ発生器２は、例えば１０ＭＨｚのクロック（発生器）１に同期して、予め定められたデータパターンを有するＰＮ信号を発生して出力する。クロック１としては、例えばＧＰＳクロックを用いる。ＰＮ信号は、トリガ生成回路８と一致検出回路７とに入力される。クロック１に代えて、同程度の高周波のクロックを用いても良い（以下の他の回路においても同じ）。

トリガ生成回路８は、ＰＮ信号に基づいて、その立下りを検出して、当該立下りに同期して立下りトリガパルスを生成すると共に、ＰＮ信号を通信用レーザ１６（レーザ光源）に入力する。検出される立下り（及び立下りトリガパルス）を、図４の変調波形（ａ）において矢印で示す。

立下りトリガパルスは、データコントローラ５と、第１及び第２遅延パルス発生器９、１０に入力される（後述する）。通信用レーザ１６は、ＰＮ信号（電気信号）に基づいて、比較的強いパルス光からなる通信信号（２値の光信号）を生成して出力する。通信信号を、図４の変調波形（ａ）に示す。通信用レーザ１６において、その波長λ１は経験的に予め定められ、その強度（パルス光の強度）は予め定められる。通信用レーザ１６の出力光はビームスプリッタ１７に入力される。

ビームスプリッタ１７は、通信用レーザ１６からの波長λ１の光信号と、偏光ビームスプリッタ１３からの波長λ２の光信号(後述する)とを重畳して、同一の光軸１０７に沿って出力する。ビームスプリッタ１７は、波長λ１の光（通信信号）を（ほぼ）そのまま反射させ、波長λ２の光（量子暗号信号）をそのまま透過させるように設定される。

前述のＰＮ信号は、入力データに先立って、通信用レーザ１６から出力される。これにより、当該所定のデータパターンのＰＮ信号が受信機１０２に送信される。このＰＮ信号は、入力データと同様に、通信用レーザ１６から出力される。

一方、ＰＮ発生器２の出力するＰＮ信号は、一致検出回路７に入力される。一致検出回路７は、クロック１に同期して（図示せず）、当該ＰＮ信号と予め備えるデータパターン（図示せず）とを比較して、両者が一致する場合、リセット信号を形成して出力する。

一致検出回路７からのリセット信号は、カウンタ６に入力される。カウンタ６は、リセット信号によりリセットされ、クロック１をカウントする。クロック１のカウントについては後述する。カウンタ６のカウント出力（カウント値）は、データコントローラ５に入力される。データコントローラ５は、カウンタ６からの最初のカウント値の入力に応じて、スイッチ制御信号を形成して出力する。

スイッチ制御信号はスイッチＳＷに印加される。これにより、スイッチＳＷは、入力データレコーダ３とトリガ生成回路８とを接続するように、切替えられる。この結果、入力データレコーダ３に保持された入力データ（２値信号）が、スイッチＳＷを介して、トリガ生成回路８に入力される。このために、通信信号として送信すべきデータ（入力データ）が、予め入力データレコーダ３（例えば、メモリに保持され、又は、リアルタイムのストリームデータ等として）に用意される。入力データは、任意のデータであり、量子鍵共有がなされた後は、量子暗号（鍵データ）により暗号化されたデータ（例えば、動画像等）である。入力データレコーダ３は、図示しないが、スイッチ制御信号によりデータの送出を開始し、クロック１に同期して入力データを送出する。

これにより、前述のＰＮ信号と同様にして、通信用レーザ１６は、入力データ（本来送信すべきデータ）に基づいて、通信信号（２値の光信号）を生成して出力され、量子暗号信号を重畳されてビームスプリッタ１７から出力される。

このように、所定のデータパターンのＰＮ信号の送信（及び受信）により、本来の送信すべきデータの送受信が開始される。従って、所定のデータパターンのＰＮ信号は、データ通信のスタート信号である。なお、スタート信号としてＰＮ発生器２を用いることに代えて、入力データの先頭にスタート信号と同様の所定のデータパターンを有する擬似データを付加するようにしても良い。

次に、図２を参照して、送信機１０１における第２通信手段１０４による量子暗号信号の送信について説明する。送信機１０１における第２通信手段１０４は、基本的には、ランダム発生器４、データコントローラ５、第１及び第２遅延パルス発生器９、１０、第１及び第２量子用レーザ１１、１２、偏光ビームスプリッタ１３、減衰器１４、変調器１５からなる。なお、第１及び第２通信手段１０３及び１０４を構成する要素以外の要素は、第１及び第２通信手段１０３及び１０４に共通の要素と考えて良い（受信機１０２においても同じ）。

ランダム発生器４は、クロック１に同期して、ランダムな値を取るランダム信号（２値信号）を生成して、データコントローラ５と変調器１５とに入力する。このランダム信号が量子鍵（暗号鍵又は鍵データ）である。データコントローラ５は、ランダム信号に基づいて、出力信号を形成して出力する。出力信号は、第１及び第２遅延パルス発生器９、１０に入力される。出力信号は、ランダム信号に従って（即ち、ランダムに）、第１又は第２遅延パルス発生器９、１０のいずれか一方に（択一的に）、遅延パルスを出力させる制御信号である。この時、データコントローラ５は、例えばクロック１に同期して出力信号を形成し、トリガ生成回路８から出力される立下りトリガパルス（図４の変調波形（ａ）参照）に同期して出力信号を出力する。従って、出力信号は、立下りトリガパルスが入力された場合にのみ出力され、第１又は第２遅延パルス発生器９、１０のいずれか一方にのみ遅延パルスを出力させる。

データコントローラ５の出力信号は、第１及び第２遅延パルス発生器９、１０の一方の入力端子に入力される。第１及び第２遅延パルス発生器９、１０の他方の入力端子には、トリガ生成回路８から出力される立下りトリガパルスが入力される。

第１遅延パルス発生器９は、データコントローラ５の出力信号が入力された場合にのみ、立下りトリガパルスに基づいて、これから遅延時間Ｄだけおくれて遅延パルスを発生し、これを第１量子（量子暗号）用レーザ１１に入力する。遅延パルスを図４の光子伝送タイミング（ｂ）に示す。遅延時間Ｄは、経験的に予め定められる。第１量子用レーザ１１は、遅延パルスに基づいて、あまり強くないパルス光からなる量子暗号信号（２値の光信号）を生成して出力する。量子暗号信号（パルス光）の強度は予め定められ、通信信号と比べて弱いものとされる。量子暗号信号の波長λ２は、経験的に予め定められる。第１量子用レーザ１１の出力は偏光ビームスプリッタ１３に入力される。第２遅延パルス発生器１０及び第２量子用レーザ１２も同様である。

遅延時間Ｄは、通信信号の送受信の１周期（従って、クロック１の１周期）よりも、十分に短い時間とされる。従って、第２通信手段１０４において、量子暗号信号は、通信信号がオフの期間において、通信信号の立ち下りに同期して（立ち下りを基準として）、当該立下りから予め定められた遅延時間Ｄの経過後に送受信される。

ここで、第１量子用レーザ１１の出力は、例えばその偏光がＨ（又はＶ）即ち偏光方向が０度（又は偏光方向が９０度）とされる。これは、例えば２値信号の０（又は１）に対応する。第２量子用レーザ１２の出力は、例えばその偏光がＶ（又はＨ）即ち偏光方向が９０度（又は偏光方向が０度）とされる。これは、例えば２値信号の１（又は０）に対応する。

偏光ビームスプリッタ１３は、第１及び第２量子用レーザ１１、１２の出力を重畳して出力する。偏光ビームスプリッタ１３は、第１量子用レーザ１１の出力（偏光Ｈ）をそのまま透過させ、第２量子用レーザ１２の出力（偏光Ｖ）をそのまま反射させるように設定される。実際には、第１及び第２量子用レーザ１１、１２はいずれか一方のみが光信号を出力するので、双方の出力のいずれか一方を出力する。以上のように、偏光ビームスプリッタ１３は、量子鍵用のデータに基づいて偏光Ｈ又はＶの光（光子）を出力する。

偏光ビームスプリッタ１３の光出力は、減衰器１４を介して、変調器１５に入力される。減衰器１４により、偏光ビームスプリッタ１３の光出力は、伝搬損失を考慮し受信機１０２において１パルスにつき１フォトン以下になるまで弱められる。これにより、量子暗号信号（パルス光）は、比較的弱い（極微弱な）パルス光からなる２値の光信号とされる。量子暗号信号の強度は予め定められ、通信信号と比べて微弱なものとされる。

変調器１５には、その変調信号としてランダム発生器４からのランダム信号が入力される。変調器１５は、変調信号に基づいて、偏光ビームスプリッタ１３の光出力の偏光方向を変調した上で、ビームスプリッタ１７に入力する。即ち、変調器１５は、偏光Ｈ（０度）又はＶ（９０度）である偏光ビームスプリッタ１３からの光出力の偏光方向を、ランダムに４５度だけ変更する（変調する）。従って、変調器１５からの光出力(量子暗号信号の偏光)は、その偏光方向が図５に示すようになる。

以上により、通信用レーザ１６からの光（通信信号）と変調器１５からの光（量子暗号信号）とが重畳されて、所定の方向に出力される。即ち、第１及び第２通信手段１０４が、通信信号と量子暗号信号とを同一の光軸１０７で送受信することになる。これは、図４の変調波形（ａ）と光子伝送タイミング（ｂ）とを重ねた信号と考えて良い。従って、鍵データに従って、第１及び第２量子用レーザ１１、１２からＨ又はＶの偏光を持つ微弱な光信号（量子暗号信号）が、通信用レーザ１６の出力の立下りのエッジから一定の遅延時間Ｄ後に偏光変調されて、通信用レーザ１６と共に送信される。

一方、量子暗号信号として送信された量子鍵（鍵データ）の元になるデータは、データコントローラ５に保持される。このために、データコントローラ５はメモリ（図示せず）を備える。

前述のように、一致検出回路７からのリセット信号がカウンタ６に入力される。カウンタ６はクロック１をカウントする。クロック１に同期して入力データが送信されるので、カウンタ６は通信信号の伝送速度（即ち、伝送クロック）に対応してインクリメントされる。カウンタ６のインクリメントの様子を、図４のカウンタ値（ｃ）に示す。カウンタ６は、リセット信号によりリセットされ、具体的には、通信信号の伝播遅延より長い周期でリセットされる。これを、図４のカウンタ値（ｄ）に示す。通信信号の伝播遅延は、経験的に予め知ることができる。図４に点線で示すように、カウンタ値（ｃ）は、カウンタ値（ｄ）の１周期の一部を時間的に拡大して示している。

前記リセットのために、ＰＮ発生器２は、通信信号の伝播遅延より長い周期で、所定のデータパターンのＰＮ信号を形成して出力する。従って、カウンタ６は、通信信号の伝播遅延より長い周期でリセットされる。この結果、カウンタ６のカウンタ値は、カウンタ値（ｄ）に示すように、鋸波状になる。リセットのタイミング（周期）を、図４のリセットタイミング（ｅ）に示す。以上は、後述するカウンタ３０についても同様である。これにより、カウンタ６（及び３０）を用いて、絶対時刻を示す時計無しであっても、通信信号及び量子暗号信号の送受信における相対時間の遅延を検出することができる。

なお、実際には、ＰＮ発生器２は、所定のデータパターンのＰＮ信号を量子鍵共有がなされるまで続けて出力する。量子鍵共有がなされると、スイッチＳＷが入力データレコーダ３側に切り替えられる。この後、データパターンが通信用レーザ１６から受信機１０２へ送信される。送信機１０１において、スイッチＳＷが入力データレコーダ３側に切り替えられ、入力データレコーダ３から入力データが送信されている間、準リアルタイムに鍵共有を行うことができる。

カウンタ６のカウント出力（カウント値）は、データコントローラ５に入力される。データコントローラ５は、図示しないが、鍵用のデータ（暗号鍵の元となるデータ）を生成する。データコントローラ５は、その鍵用のデータの信号と、ランダム発生器４からのランダム信号とを、その時点におけるカウンタ６からのカウント値と共に（対応付けて）、保持する(記録する)。即ち、カウンタ６のカウント値の各々における鍵データとランダムに偏光変調したデータが記録される。これにより、通信信号の送信を開始した後のどのタイミングで（何番目のクロック）で、Ｈ又はＶのいずれの偏光の光信号が形成されたかを記録することができる。即ち、送信機１０１における暗号鍵を知ることができる。

なお、送信機１０１において、変調器１５を省略して、量子用レーザを４台設けるようにしても良い。即ち、Ｈ及びＶ用の第１及び第２量子用レーザ１１、１２に加えて、Ｈ＋４５度の偏光を持つ光を出力する量子用レーザと、Ｖ＋４５度の偏光を持つ光を出力する量子用レーザとを設けるようにしても良い。また、送信機１０１において、変調器１５を省略して、非直交の２値の偏光（Ｈ、Ｈ＋４５度）を持つ２台の量子用レーザを設けるようにしても良い。

また、送信機１０１において、量子用レーザを１台だけ設け、変調器１５により、当該量子用レーザからの出力を４値（Ｈ、Ｖ、Ｈ＋４５度、Ｖ＋４５度）で変調するようにしても良い。また、送信機１０１において、量子用レーザを１台だけ設け、変調器１５により、当該量子用レーザからの出力を非直交の２値（Ｈ、Ｈ＋４５度）で変調するようにしても良い。

次に、図３を参照して、受信機１０２における第１通信手段１０３による通信信号の受信について説明する。ビームスプリッタ２０が分離手段１０６である。受信機１０２における第１通信手段１０３は、基本的には、通信用受信機２１、クロック抽出回路２２、通信用データレコーダ２３からなる。

前述のように、送信機１０１からの光信号は、通信用レーザ１６から通信信号と変調器１５からの量子暗号信号とが重畳されている。これを、ビームスプリッタ２０により受光する。送信機１０１からの光信号は、ビームスプリッタ２０により分配されて、通信用受信機２１と変調器２４とに入力される。ビームスプリッタ２０は、波長λ１の光（通信信号）をそのまま透過させ、波長λ２の光（量子暗号信号）をそのまま反射させるように設定される。従って、通信信号は通信用受信機２１に入力され、量子暗号信号は変調器２４に入力される。

通信用受信機２１は、入力された光信号（通信信号）を電気信号に変換して出力する。通信用受信機２１の出力は、クロック抽出回路２２と遅延パルス発生器２８に入力される。クロック抽出回路２２は、周知のクロック抽出手段により、入力された通信信号からクロックを抽出して、通信信号（以下、データという）とクロックとを出力する。データとクロックは、通信用データレコーダ２３に入力され保持（記録）される。これが、送信結果として得られた、任意のデータであり、量子鍵共有がなされた後は、量子暗号（鍵データ）により暗号化された通信信号即ちデータ（例えば、動画像等）である。

前述のように、通信信号としては、入力データに先立って、所定のデータパターンのＰＮ信号が送信される。従って、保持されたデータは、その先頭に所定のデータパターンのＰＮ信号を含む。しかし、ＰＮ信号のデータパターンは所定のものであるので、これを保持されたデータから除くことは容易であり、これにより、本来のデータを得ることができる。

データとクロックは、一致検出回路２９に入力される。一致検出回路２９には、ＰＮ発生器３３の出力であるＰＮ信号が入力される。このために、ＰＮ発生器３３は、クロック３２に同期して、予め定められたデータパターンを有するＰＮ信号を発生して出力する。クロック３２としては、例えばＧＰＳクロックを用いる。一致検出回路２９は、入力されたクロックに同期して、当該ＰＮ信号と入力されたデータとを比較して、両者が一致する場合、リセット信号を形成して出力する。従って、リセット信号は、入力データに先立って送信された所定のデータパターンのＰＮ信号が一致検出された場合に出力される。

なお、例えば、図示しないが、通信用データレコーダ２３が、リセット信号により、その時点までに保持されたデータ（ＰＮ信号）を廃棄するようにしても良い。これにより、通信用データレコーダ２３は、ＰＮ信号を除いて、本来のデータである入力データのみを記録することができる。

次に、図３を参照して、受信機１０２における第２通信手段１０４による量子暗号信号の受信について説明する。受信機１０２における第２通信手段１０４は、基本的には、変調器２４、偏光ビームスプリッタ２５、第１及び第２単一光子受信機２６、２７、遅延パルス発生器２８、データコントローラ３１、ランダム発生器３４からなる。

ランダム発生器３４は、クロック３２に同期して、ランダムな値を取るランダム信号（２値信号）を生成して、変調器２４とデータコントローラ３１とに入力する。変調器２４は、ランダム発生器３４からのランダム信号（変調信号）に基づいて、ビームスプリッタ２０からの光の偏光方向を変調した上で、偏光ビームスプリッタ２５に入力する。即ち、変調器２４は、偏光Ｈ（０度）又はＶ（９０度）である光の偏光方向をランダムに４５度だけ変調した光を、ランダムに４５度だけ変調して、偏光ビームスプリッタ２５に入力する。従って、変調器２４からの光出力(量子暗号信号の偏光)は、その偏光方向が図５に示すようになる。

変調器２４で変調された光信号は、偏光ビームスプリッタ２５により分配されて、第１及び第２単一光子受信機２６、２７に入力される。偏光ビームスプリッタ２５は、例えば、偏光Ｈの光信号（第１量子用レーザの出力）をそのまま反射させ、偏光Ｖの光信号（第２量子用レーザの出力）をそのまま透過させるように設定される。これにより、偏光Ｈの光信号は第１単一光子受信機２６に入力され、偏光Ｖの光信号は第２単一光子受信機２７に入力される。

遅延パルス発生器２８には、通信用受信機２１の出力が入力される。遅延パルス発生器２８は、通信用受信機２１の出力に基づいて、その立下りを検出して、これから遅延時間Ｄだけおくれてゲート信号を形成し、これを第１及び第２単一光子受信機２６、２７に制御信号として入力する。この遅延パルス発生器２８は、第１及び第２単一光子受信機２６、２７に共通の回路であり、トリガ生成回路８に相当する回路を含む。

第１単一光子受信機２６は、ゲート信号に従って、そのゲートを開いて、当該ゲートの開いている期間だけ偏光ビームスプリッタ２５からの光を受光し、電気信号に変換して出力する。第１単一光子受信機２６の出力は、データコントローラ３１に入力される。第２単一光子受信機２７も、同様である。

以上のように、微弱な量子暗号信号とは異なる比較的強い通信信号（のビット）に同期して、通信信号の光信号がオフの時に量子暗号信号（光子）を送信し、通信信号に同期したタイミングでゲートを開き、微弱な量子暗号用光子パルスを検出する。これにより、背景光雑音を抑え、光通信路と量子通信路とをアイソレーションすることができる。特に、通信信号（のオンの期間）から相対的に遅延時間Ｄをとることにより、ゲートを用いて光子パルスを検出することができ、空間伝送のような背景光がある状況下でも、本発明を適用することができる。また、これにより、伝送遅延があっても、微弱な量子暗号用光子パルスを検出することができる。従って、通信信号として任意のコンテンツデータを送信しても、データ信号と量子暗号信号とを共存させることができる。

データコントローラ３１は、メモリ（図示せず）を備え、クロック１に同期して、第１及び第２単一光子受信機２６、２７の出力を保持（記録）する。

前述のように、一致検出回路２９からのリセット信号がカウンタ３０に入力される。カウンタ３０はクロック抽出回路２２からのクロックをカウントする。カウンタ３０はリセット信号によりリセットされる。カウンタ３０のカウント出力（カウント値）は、データコントローラ３１に入力される。

データコントローラ３１は、その時点でのカウンタ３０のカウント出力（カウント値）を、当該第１及び第２単一光子受信機２６、２７の出力に対応付けて保持する。これが、送信結果として得られた暗号鍵の元になるデータである。このために、データコントローラ３１はメモリ（図示せず）を備える。これにより、通信信号の送信を開始した後のどのタイミングで（何番目のクロック）で、Ｈ又はＶのいずれの偏光の光信号が形成されたかを記録することができる。即ち、受信機１０２における暗号鍵の元になるデータを記録することができる。量子鍵は、ランダムに偏光したデータが送受信で一致することを一般通信手段で確認した後、データ処理することにより得られる。即ち、データコントローラ５及び３１が、当該通信を行って、各々が記録した量子鍵の元になったデータが一致することを確認する。

以上のように、データ伝送速度でインクリメントされるカウンタ３０（及び６）において、伝搬遅延よりも長い周期でリセットすることにより、カウンタ３０のビット数を減らすことができ、また、移動体通信において、伝搬距離が変化しても、カウンタ３０により相対時間の遅延を検出することができる。

即ち、受信機１０２において、一定の周期でカウンタ３０（及び６）をリセットすることにより、データの先頭を知ることができる。その上で、当該周期を、送信から受信までの伝搬遅延時間よりも長くなるようにする。これにより、相対的な伝搬遅延により、送受信データを同定することができる。従って、受信機１０２（及び送信機１０１）が、絶対時刻を持っていなくても、微弱な量子暗号用光子パルスの時刻を同定することができ、カウンタ３０のビット数を削減することができる。

以上により、通信用レーザ１６からの光（通信信号）と変調器１５からの光(量子暗号信号)とが分離されて、通信信号からデータとクロックとが検出され、クロックの立下りエッジから一定の遅延時間Ｄの後に単一光子受信機２６、２７のゲートを開いて、Ｈ又はＶの偏光を持つ微弱な光信号を検出する。

なお、受信機１０２において、変調器２４を省略して、単一光子受信機を４台設けるようにしても良い。即ち、Ｈ、Ｖ、Ｈ＋４５度、Ｖ＋４５度の偏光を持つ光を受光する単一光子受信機を設けるようにしても良い。

図５は、本発明の量子暗号通信装置の他の構成図である。この例は、特に、図１〜図４の例において、更に、第１通信手段１０３が、第２通信手段１０４により送受信される量子暗号信号の光子パルスの偏光基底に合わせて、通信信号の偏光変調を行う例である。

図５（Ａ）に示すように、送信機１０１が、データ信号に同期して（例えば、前述のカウンタ６のリセットのタイミングで）、量子暗号信号の偏光基底に合わせて、通信信号（光信号）の偏光変調を行う。例えば、偏光方向を０度（偏光Ｈ）と９０度（偏光Ｖ）とする。

受信機１０２において、相対的に偏光方向の位相差がΔθだけずれているとすると、図５（Ｂ）〜図５（Ｅ）のようになる。即ち、受信機１０２において、偏光子（偏光ビームスプリッタ）２０の後段において、受信光の交流成分が最大になるように半波長板等を調整することにより、送信機１０１の選択した偏光基底軸に合わせることが可能である。

例えば、偏光子が０度（水平方向）に設置されている場合、位相差Δθが０度であるとすると、図５（Ｂ）に示すように、受信した信号の極性は反転するが、信号の振幅（強度）は変化しない。位相差Δθが０度〜４５度であるとすると、図５（Ｃ）に示すように、受信した信号の極性が反転すると共に、信号の振幅（強度）もやや小さくなる。位相差Δθが４５度〜１３５度であるとすると、図５（Ｄ）に示すように、受信した信号の極性は反転しないが、信号の振幅（強度）がやや小さくなる。位相差Δθが１３５度〜１８０度であるとすると、図５（Ｅ）に示すように、受信した信号の極性が反転すると共に、信号の振幅（強度）もやや小さくなる。なお、Δθ＝９０度である場合でも、受信信号の交流成分は最大となるが、位相が１８０度反転するため９０度偏光方向が異なっていることは識別することができる。

以上のように、通信信号（データ）のタイミングに同期して、量子暗号用光子パルスの偏光基底に合わせて通信信号（光信号）の偏光変調を行うことにより、移動体通信のように相対的に到来角度の関係が変化する場合であっても、偏光子の後段の光信号の交流成分を最大にするように半波長板等を調整して、偏光軸方向を検出し送信側の選択した偏光基底軸に合わせることができる。また、微弱な量子暗号用光子パルスの偏光方向を検出することができる。これにより、通信信号の受信信号により微弱な量子暗号用光子パルスの偏光基底を知ることができる。偏光変調を通信信号に施すことで、微弱な量子暗号用光子パルスの偏光基底を検出できる。

図６は、本発明の量子暗号通信の適用例を示す図である。

送信機１０１である衛星が、時刻Ｔ１において、地上局Ａ上に位置する。この時、衛星は、量子鍵α（例えば、１００１）を生成し、データＡに重畳して、地上局Ａに送信する。地上局Ａは、データＡ及び量子鍵αを受信して保持する。

この後、衛星が移動して、時刻Ｔ２において、地上局Ｂ上に位置する。この時、衛星は、量子鍵β（例えば、１０１０）を生成し、データＢに重畳して、地上局Ｂに送信する。地上局Ｂは、データＢ及び量子鍵βを受信して保持する。

更に、衛星は、量子鍵α及びβの排他的論理和（γ＝αＸＯＲβ）により量子鍵γ（この場合、００１１となる）を生成し、これを例えば通常の通信手段により基地局Ａ及びＢに送信する。これは盗聴されても良い。

この後、地上局Ａは、自己の保持する量子鍵αと量子鍵γとを用いて、その排他的論理和（β＝αＸＯＲγ）により、相手方の地上局Ｂの量子鍵βを生成する。即ち、例えば、β＝１０１０を知ることができる。例えば、データＡが地上局Ｂからのデータであり、その量子鍵がβとされる。同様に、基地局Ｂは、自己の保持する量子鍵βと量子鍵γとを用いて、その排他的論理和（α＝βＸＯＲγ）により、相手方の地上局Ａの量子鍵αを生成する。即ち、例えば、α＝１００１を知ることができる。例えば、データＢが地上局Ａからのデータであり、その量子鍵がαとされる。これにより、地上局Ａ及びＢが量子鍵を共有することができる。

以上、本発明をその実施の態様に従って説明したが、本発明は、その主旨の範囲内において種々の変形が可能である。

例えば、以上の説明は地上及び衛星を用いた光通信について説明したが、本発明において、送信機１０１は衛星に限られない。例えば、飛行機、船舶、自動車等の移動体であって、通信機能を備え、移動体通信を行うものであれば良い。また、送信機１０１側のみならず、受信機１０２側も移動体であっても良い。即ち、本発明は衛星間の光通信に適用することができる。更に、送信機１０１側は、移動体に限られず、固定された地上局であっても良い。即ち、地上の固定局の間での光通信（地上の光通信）であっても良い。

本発明により送受信される信号は、軍事的、個人的、商業的な秘匿通信の分野等の種々の分野のデータ信号又はそれ以外の信号であっても良い。

以上説明したように、本発明によれば、量子暗号通信方法において、古典的な通信経路、例えば光ファイバからなる伝送路を不要とすることができ、衛星等における移動体通信に、量子暗号通信を適用することができ、通信信号の種類を問わずに量子暗号通信を適用することができる。

１、３２ クロック
２、３３ ＰＮ発生器
３ 入力データレコーダ
４、３４ ランダム発生器
５、３１ データコントローラ
６、３０ カウンタ
７、２９ 一致検出回路
８ 立下りトリガパルス生成回路（トリガ生成回路）
９、１０ 遅延パルス発生器
１１、１２ 量子用レーザ
１３、２５ 偏光ビームスプリッタ
１４ 減衰器
１５、２４ 変調器
１６ 通信用レーザ
１７、２０ ビームスプリッタ
２１ 通信用受信機
２２ クロック抽出回路
２３ 通信用データレコーダ
２６、２７ 単一光子受信機
２８ 遅延パルス発生器

Claims (8)

1. 送信機が、第１の量子鍵を生成し、前記第１の量子鍵を第１のデータに重畳して第１局にレーザ光を用いて送信し、
   前記第１局が、前記第１のデータ及び前記第１の量子鍵を受信して保持し、
   前記送信機が、第２の量子鍵を生成し、前記第２の量子鍵を第２のデータに重畳して第２局にレーザ光を用いて送信し、
   前記第２局が、前記第２のデータ及び前記第２の量子鍵を受信して保持し、
   前記送信機が、前記第１の量子鍵と前記第２の量子鍵の排他的論理和により第３の量子鍵を生成し、前記第１局及び前記第２局に送信し、
   前記第１局が、自己の保持する前記第１の量子鍵と前記第３の量子鍵との排他的論理和により、前記第２の量子鍵を生成し、
   前記第２局が、自己の保持する前記第２の量子鍵と前記第３の量子鍵との排他的論理和により、前記第１の量子鍵を生成する
   ことを特徴とする量子暗号通信方法。
2. 前記送信機が衛星であり、前記第１局が第１の地上局であり、前記第２局が第２の地上局であり、
   前記送信機である衛星が、第１の時刻において、前記第１の地上局上に位置し、前記第１の量子鍵を前記第１のデータに重畳して前記第１の地上局に送信し、
   前記送信機である衛星が、前記第１の時刻の後の第２の時刻において、前記第２の地上局上に位置し、前記第２の量子鍵を前記第２のデータに重畳して前記第２の地上局に送信し、
   前記送信機である衛星が、前記第３の量子鍵を、前記第１の地上局及び前記第２の地上局に送信する
   ことを特徴とする請求項１記載の量子暗号通信方法。
3. 前記第１のデータが前記第２の地上局からのデータであり、前記第２のデータが前記第１の地上局からのデータである
   ことを特徴とする請求項２記載の量子暗号通信方法。
4. 前記送信機と前記第１局及び第２局とに設けられた第１通信手段が、前記送信機と前記第１局及び第２局との間において、オンの期間とオフの期間とを含む２値の光信号であって量子暗号信号と比較してその強度が比較的強いパルス光からなる通信信号を送受信し、
   前記送信機と前記第１局及び第２局とに設けられた第２通信手段が、前記送信機と前記第１局及び第２局との間において、前記通信信号の送受信中であって前記通信信号が前記オフの期間に、２値の光信号であって前記通信信号と比較してその強度が比較的弱いパルス光からなる量子暗号信号を送受信し、
   前記第１及び第２通信手段が、前記通信信号と前記通信信号に重畳された前記量子暗号信号とを同一の光軸で送受信する
   ことを特徴とする請求項１記載の量子暗号通信方法。
5. 前記第２通信手段が、前記量子暗号信号を、前記通信信号が前記オフの期間において、前記通信信号の立ち下りに同期して当該立下りから予め定められた遅延時間の経過後に送受信する
   ことを特徴とする請求項４記載の量子暗号通信方法。
6. 前記第１又は第２通信手段が、前記通信信号の伝送速度に対応してインクリメントされ、前記通信信号の伝播遅延より長い周期でリセットされるカウンタを備え、前記カウンタを用いて、相対時間の遅延を検出する
   ことを特徴とする請求項４記載の量子暗号通信方法。
7. 前記第１通信手段が、前記第２通信手段により送受信される前記量子暗号信号の光子パルスの偏光基底に合わせて、前記通信信号の偏光変調を行う
   ことを特徴とする請求項４記載の量子暗号通信方法。
8. 前記送信機に設けられた重畳手段が、前記通信信号に前記量子暗号信号を重畳する
   ことを特徴とする請求項４記載の量子暗号通信方法。

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