JP5128637B2 - 量子通信システム及び量子鍵配送システム - Google Patents
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本発明の量子通信システムの第1の実施形態を図3に示す。本実施形態は、図1(b)の基本リンクを構成するために2つのノード(ノード1とノード2)の間で量子もつれ状態を生成する態様である。本実施形態の量子通信システムは、ノード1、2と、中継ノード5と、各ノード1およびノード2と中継ノード5とを接続する光伝送路L1、L2と、各ノード1およびノード2と中継ノード5とをそれぞれ接続する古典通信回線12、13、14とを備えて構成される。
本発明の量子通信システムの第2の実施形態を図4に示す。本実施形態は、図1(b)の基本リンクを接続して図1(c)、(d)に示すようなネスティングを構成する形態である。
本実施形態は、第1の実施形態および第2の実施形態で述べた量子通信システムを組み合わせて、図1において説明した量子中継システムを実現する態様である。
本実施形態は、第3の実施形態の量子中継システムにより生成した、長さLの伝送路の両端のノードに配置された量子メモリ間の時間位置もつれ状態を用いて、量子鍵配送を行う態様である。本実施形態を説明する図を図5に示す。本実施形態ではノード1からノードZによって量子中継システムが構成されている。
5、30 中継ノード
BS、P1、P2 ビームスプリッタ
12、13、14、15、16、17、40、41 古典通信回路
Claims (4)
- 光子の発生時刻に関し相関のある光子対を、パルス間隔Δtで、N(Nは3以上の整数)個の連続した2つのパルス状にN連相関光子対パルス列を発生する光子対発生器と、前記光子対発生器から出力されるN連相関光子対パルス列を構成する一方のN連パルス列の量子状態を保存する量子メモリとをそれぞれ有する2つのノードと、
2個の入力ポートと2個の出力ポートを備えるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタの出力ポートのそれぞれに接続された第1の光子検出器と第2の光子検出器と、前記2つのノードの光子対発生器から出力される光子対の他方の光子を、それぞれ前記ビームスプリッタの2個の入力ポートに入力する手段とを備える中継ノードと、
前記2つのノードのそれぞれから前記中継ノードへ前記光子をそれぞれ送付するための光伝送路と、
前記2つのノードのそれぞれと中継ノードとの間で古典的に情報をそれぞれ通信するための古典通信回線とを備え、
前記2つノードのそれぞれは前記光伝送路を経由して前記中継ノードへ互いに識別不能な光子を含む前記N連パルス列をそれぞれ送付し、
前記中継ノードは、
第1の光子検出器がk(kは1以上N未満の整数)番目のパルスにおいて光子を検出し、かつ第2の光子検出器がk+1番目のパルスにおいて光子を検出するか、もしくは第1の光子検出器がk+1番目のパルスにおいて光子を検出し、かつ第2の光子検出器がk番目のパルスにおいて光子を検出する第1の検出状態となったとき、または
第1の光子検出器または第2の光子検出器のいずれかにおいて、k番目およびk+1番目のパルスにおいて連続して光子を検出する第2の検出状態となったときは、前記古典通信回線を介して前記第1の検出状態または前記第2の検出状態のうちのいずれの検出状態が起こったかの情報を前記2つのノードそれぞれに送付することにより、前記2つのノードに配置された前記2つの量子メモリにおいてk番目とk+1番目のパルスからなる量子状態間に、時間位置に関する量子もつれ状態を生成することを特徴とする量子通信システム。 - 請求項1に記載の量子通信システムのノードを用いて生成された量子もつれ状態により形成されたリンクを2つ隣接させて、該2つのリンクを接続する量子通信システムであって、
第1のリンクは、第1のノードと他方のリンクと隣接する第2のノードとを有し、前記第1のノードの量子メモリ中のk1(k1は任意の自然数)番目のパルスとk1+1番目のパルスとからなる量子状態と、第2のノードの量子メモリ中のk’1(k’1は任意の自然数)番目のパルスとk’1+1番目のパルスからなる量子状態との間に時間位置に関する量子もつれ状態を生成しており、
第2のリンクは、前記第1のリンクと隣接する第3のノードと第4のノードとを有し、前記第3のノードが有する量子メモリ中のk2(k2は任意の自然数)番目のパルスとk2+1番目のパルスとからなる量子状態と、第4のノードが有する量子メモリ中のk’2(k’2は任意の自然数)番目のパルスとk’2+1番目のパルスとからなる量子状態との間に時間位置に関する量子もつれ状態を生成しており、
前記隣接する第2のノードと第3のノードとはそれぞれ、前記量子メモリの量子状態を光子に変換して出力する光子変換手段を備え、
前記隣接する第2のノードと前記第3のノードとの間に、2個の入力ポートと2個の出力ポートを備えるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタの出力ポートに接続された第1の光子検出器と第2の光子検出器とを備え
前記光子変換手段は、前記第2のノードにおけるk’1及びk’1+1番目のパルスからなる量子状態と、前記第3のノードにおけるk2及びk2+1番目のパルスからなる量子状態を、前記ビームスプリッタに同時刻tに到着し、かつパルス間隔が等しくΔtとなるよう到着時刻及びパルス間隔を制御して互いに識別不能な光子を含む前記パルス列として前記ビームスプリッタへそれぞれ送付し、
前記第1の光子検出器及び第2の光子検出器は、
前記第1の光子検出器が時刻tにおいて光子を検出し、かつ第2の光子検出器が時刻t+Δtにおいて光子を検出したとき、
第1の光子検出器が時刻t+Δtにおいて光子を検出し、かつ第2の光子検出器が時刻tにおいて光子を検出したとき、または
第1の光子検出器または第2の光子検出器のいずれかで時刻tと時刻t+Δtにおいて連続して光子を検出したときは、時刻tおよび時刻t+Δtにおいて光子を検出したことを第2ノードと第3ノードに送付することにより、前記第1のノードの量子メモリ中のk1番目及びk1+1番目のパルスからなる量子状態と、第4のノードの量子メモリ中のk’2番目及びk’2+1番目のパルスからなる量子状態との間に、時間位置もつれ状態を生成することにより前記2つのリンクを接続することを特徴とする量子通信システム。 - 長さLの光伝送路を、2n(nは自然数)個の区間に分割し、長さL/2nの各区間を請求項1に記載された量子通信システムで形成し、前記2n個の区間を、隣接する2個ずつでペアにして、請求項2に記載の量子通信システムにより、長さL/2n−1の各区間の両端のノード間に配置された量子メモリ間に時間位置もつれ状態を共有するリンクを2n−1個生成し、長さLの光伝送路の両端のノードに配置された量子メモリ間に時間位置もつれ状態を共有することを特徴とする量子中継システム。
- ユーザ1とユーザ2との間で量子暗号鍵を共有する量子鍵配送システムであって、
請求項3に記載の量子中継システムと、
前記量子中継システムの両端ノードのうちの一方のノードの出力に接続された2つの出力ポートを有する遅延時間Δtの1ビット遅延干渉計と、該2つの出力ポートに接続された2つの光子検出器と、前記両端のノード間で古典通信をするための古典通信回線とを備えたユーザ1のサイトと、
前記量子中継システムの両端のノードのうちの他方のノードの出力に接続された2つの出力ポートを有する遅延時間Δtの1ビット遅延干渉計と、該2つの出力ポートに接続された2つの光子検出器と、前記両端のノード間で古典通信をするための古典通信回線とを備えたユーザ2のサイトとを備え、
前記2つのサイトはそれぞれ、
前記量子中継システムの前記両端のノードに配置された量子メモリ間に時間位置もつれを生成させた後、前記両端のノードの量子メモリ中の量子状態を光子に変換し、前記1ビット遅延干渉計に入力する手段と、
前記1ビット遅延干渉計に入力された光子を前記光子検出器で測定を行なう測定手段とを有し、
前記ユーザ1のサイトと前記ユーザ2のサイトとは、前記測定手段において各測定がどの測定基底で行われたかの情報を古典通信回線17を介して互いに送信し、互いの測定基底が一致した測定結果に0または1のビットのいずれかを割り振ることにより、ランダムなバイナリビット列を両ユーザで共有することを特徴とする量子鍵配送システム。
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