JP6400441B2 - 量子鍵配送装置、量子鍵配送システムおよび量子鍵配送方法 - Google Patents
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Description
図1は、量子鍵配送システムの全体構成の一例を示す図である。図2は、量子鍵配送システムの全体構成の別の一例を示す図である。図1および2を参照しながら、量子鍵配送システム500の全体構成について説明する。
QKD送信機2の光学処理部24は、例えば、乱数によって発生させたビット列(光子ビット列)に対して、ランダムに発生させた基底情報に基づく状態とした単一光子から構成される光子列を生成する。光学処理部24は、生成した光子列を、量子通信路を介して、QKD受信機1の光学処理部14に送信する。また、光学処理部24は、発生させた光子ビット列および基底情報を第1鍵蒸留処理部21に送る。
第1鍵蒸留処理部11は、光学処理部24が光子列を送信するためにランダムに発生させた基底情報を、通信部16および古典通信路を介して受信する。第1鍵蒸留処理部21は、第1鍵蒸留処理部11が光子列を読み取るためにランダムに発生させた基底情報を、通信部26および古典通信路を介して受信する。
QKD受信機1のシフティング制御部51aは、QKD受信機1の中央制御部50aからの動作パラメータまたは実行タイミングの指示および変更に従って、第1鍵蒸留処理部11にシフティング処理を実行させる。第1鍵蒸留処理部11は、光学処理部14から受信した基底情報と、第1鍵蒸留処理部21から受信した基底情報とを比較して、一致する部分に対応するビットを光子ビット列から抽出して、共有ビット列を生成するシフティング処理を実行する。第1鍵蒸留処理部11は、図7に示すように、蓄積部15に、シフティング処理により生成した共有ビット列を第1中間データ61aとして記憶させると共に、シフティング処理により得られるパラメータ等を含むログデータを第1実行ログ71aとして記憶させる。
QKD送信機2のシフティング制御部51bは、QKD送信機2の中央制御部50bからの動作パラメータまたは実行タイミングの指示および変更に従って、第1鍵蒸留処理部21にシフティング処理を実行させる。第1鍵蒸留処理部21は、光学処理部24から受信した基底情報と、第1鍵蒸留処理部11から受信した基底情報とを比較して、一致する部分に対応するビットを光子ビット列から抽出して、共有ビット列を生成するシフティング処理を実行する。第1鍵蒸留処理部21は、蓄積部25に、シフティング処理により生成した共有ビット列を第1中間データ61bとして記憶させると共に、シフティング処理により得られるパラメータ等を含むログデータを第1実行ログ71bとして記憶させる。
QKD受信機1の第2鍵蒸留処理部12、およびQKD送信機2の第2鍵蒸留処理部22は、古典通信路を介して、共有ビット列の誤りを訂正するための制御データであるEC情報を交換する。
QKD受信機1のEC制御部52aは、中央制御部50aからの動作パラメータまたは実行タイミングの指示および変更に従って、第2鍵蒸留処理部12にEC処理を実行させる。第2鍵蒸留処理部12は、蓄積部15に記憶された第1中間データ61aである共有ビット列を読み出す。第2鍵蒸留処理部12は、古典通信路を介して第2鍵蒸留処理部22と交換したEC情報に基づいて、読み出した共有ビット列のビット誤りを訂正して、訂正後のビット列である訂正後ビット列を生成するEC処理を実行する。第2鍵蒸留処理部12は、図7に示すように、蓄積部15に、EC処理により生成した訂正後ビット列を第2中間データ62aとして記憶させると共に、EC処理により得られるパラメータ等を含むログデータを第2実行ログ72aとして記憶させる。この第2鍵蒸留処理部12が生成した訂正後ビット列は、QKD送信機2の第2鍵蒸留処理部22が、共有ビット列を訂正して生成した訂正後ビット列と一致する。
QKD送信機2のEC制御部52bは、中央制御部50bからの動作パラメータまたは実行タイミングの指示および変更に従って、第2鍵蒸留処理部22にEC処理を実行させる。第2鍵蒸留処理部22は、蓄積部25に記憶された第1中間データ61bである共有ビット列を読み出す。第2鍵蒸留処理部22は、古典通信路を介して第2鍵蒸留処理部12と交換したEC情報に基づいて、読み出した共有ビット列のビット誤りを訂正して、訂正後のビット列である訂正後ビット列を生成するEC処理を実行する。第2鍵蒸留処理部22は、蓄積部25に、EC処理により生成した訂正後ビット列を第2中間データ62bとして記憶させると共に、EC処理により得られるパラメータ等を含むログデータを第2実行ログ72bとして記憶させる。この第2鍵蒸留処理部22が生成した訂正後ビット列は、第2鍵蒸留処理部12が、共有ビット列を訂正して生成した訂正後ビット列と一致する。
QKD受信機1の第3鍵蒸留処理部13は、古典通信路を介して、QKD送信機2の第3鍵蒸留処理部23にPA情報(乱数および暗号鍵の長さ情報等)を送信し、第3鍵蒸留処理部23は、古典通信路を介して、第3鍵蒸留処理部13からPA情報を受信する。
QKD受信機1のPA制御部53aは、中央制御部50aからの動作パラメータまたは実行タイミングの指示および変更に従って、第3鍵蒸留処理部13にPA処理を実行させる。第3鍵蒸留処理部13は、蓄積部15に記憶された第2中間データ62aである訂正後ビット列を読み出す。第3鍵蒸留処理部13は、古典通信路を介して第3鍵蒸留処理部23に送信したPA情報に基づいて、第2鍵蒸留処理部12により訂正した誤りの数から、シフティング処理およびEC処理の際に盗聴者に盗聴された可能性のあるビットを取り除いて鍵ビット列(暗号鍵)を生成するPA処理を実行する。
QKD送信機2のPA制御部53bは、中央制御部50bからの動作パラメータまたは実行タイミングの指示および変更に従って、第3鍵蒸留処理部23にPA処理を実行させる。第3鍵蒸留処理部23は、蓄積部25に記憶された第2中間データ62bである訂正後ビット列を読み出す。第3鍵蒸留処理部23は、古典通信路を介して第3鍵蒸留処理部13から受信したPA情報に基づいて、第2鍵蒸留処理部22により訂正した誤りの数から、シフティング処理およびEC処理の際に盗聴者に盗聴された可能性のあるビットを取り除いて鍵ビット列(暗号鍵)を生成するPA処理を実行する。第3鍵蒸留処理部23による具体的なPA処理の方法は、上述した第3鍵蒸留処理部13によるPA処理と方法と同様である。
第3鍵蒸留処理部13は、図7に示すように、蓄積部15に、PA処理により生成した暗号鍵を鍵データ63aとして記憶させ、管理させると共に、PA処理により得られるパラメータ等を含むログデータを第3実行ログ73aとして記憶させる。蓄積部15に記憶(管理)された暗号鍵は、必要に応じて、外部のアプリケーションに提供される。
第3鍵蒸留処理部23は、蓄積部25に、PA処理により生成した暗号鍵を鍵データ63bとして記憶させ、管理させると共に、PA処理により得られるパラメータ等を含むログデータを第3実行ログ73bとして記憶させる。蓄積部25に記憶(管理)された暗号鍵は、必要に応じて、外部のアプリケーションに提供される。
上述の動作によって生成された暗号鍵は、一度しか使用しないいわゆるワンタイムパッドの鍵であるので、上述の動作によって、異なる暗号鍵が繰り返し生成される。
2、2a〜2c QKD送信機
3、3a〜3d 光ファイバリンク
4 光学機器
10 制御部
11 第1鍵蒸留処理部
12 第2鍵蒸留処理部
13 第3鍵蒸留処理部
14 光学処理部
15 蓄積部
16 通信部
20 制御部
21 第1鍵蒸留処理部
22 第2鍵蒸留処理部
23 第3鍵蒸留処理部
24 光学処理部
25 蓄積部
26 通信部
50a、50b 中央制御部
51a、51b シフティング制御部
52a、52b EC制御部
53a、53b PA制御部
61a、61b 第1中間データ
62a、62b 第2中間データ
63a、63b 鍵データ
71a、71b 第1実行ログ
72a、72b 第2実行ログ
73a、73b 第3実行ログ
100 CPU
101 第1鍵蒸留処理装置
102 第2鍵蒸留処理装置
103 第3鍵蒸留処理装置
104 光学処理装置
105 ROM
106 RAM
107 記憶装置
108 通信I/F
110 バス
200 CPU
201 第1鍵蒸留処理装置
202 第2鍵蒸留処理装置
203 第3鍵蒸留処理装置
204 光学処理装置
205 ROM
206 RAM
207 記憶装置
208 通信I/F
210 バス
500、500a 量子鍵配送システム
Claims (7)
- 他の量子鍵配送装置と量子通信路で接続され、同一の暗号鍵を生成して共有する量子鍵配送装置であって、
前記量子通信路を介した前記他の量子鍵配送装置との量子鍵配送により生成された光子ビット列に対するシフティング処理を含む鍵蒸留処理のうち少なくとも一部の処理である第1処理を実行し、前記第1処理の少なくとも一部を実行するハードウェア回路を含む第1処理手段と、
前記第1処理以外の前記鍵蒸留処理である第2処理を実行し、前記第2処理の少なくとも一部を実行するハードウェア回路を含む第2処理手段と、
前記第1処理手段および前記第2処理手段の動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記第1処理手段は、前記第1処理により生成した中間データを記憶手段に記憶させ、
前記第2処理手段は、前記記憶手段に記憶された前記中間データから、前記第2処理によって前記暗号鍵を生成し、
前記第1処理手段および前記第2処理手段は、前記鍵蒸留処理の処理結果を含む実行ログを前記記憶手段に記憶させ、
前記制御手段は、前記実行ログ、前記第1処理による前記中間データの生成速度、前記第2処理による前記暗号鍵の生成速度、前記中間データのサイズまたは蓄積量、および前記記憶手段のデータ記憶量の少なくともいずれかに基づいて、前記第1処理手段および前記第2処理手段の動作パラメータ、前記鍵蒸留処理の実行タイミング、および前記記憶手段の利用可能な記憶領域の少なくともいずれかを変更することにより、前記第1処理による前記中間データの生成速度、および前記第2処理による前記暗号鍵の生成速度を調整する量子鍵配送装置。 - 前記第1処理手段および前記第2処理手段は、双方全体として、
前記光子ビット列から、前記シフティング処理により共有ビット列を生成し、前記共有ビット列を前記記憶手段に記憶させる第1鍵蒸留処理手段と、
前記記憶手段に記憶された前記共有ビット列に含まれる誤りを誤り訂正処理により訂正して、訂正後ビット列を生成し、前記訂正後ビット列を前記記憶手段に記憶させる第2鍵蒸留処理手段と、
前記記憶手段に記憶された前記訂正後ビット列から、秘匿性増強処理により暗号鍵を生成する第3鍵蒸留処理手段と、
を含む請求項1に記載の量子鍵配送装置。 - 前記制御手段は、前記実行ログ、前記第1処理による前記中間データの生成速度、前記第2処理による前記暗号鍵の生成速度、前記中間データのサイズまたは蓄積量、および前記記憶手段のデータ記憶量の少なくともいずれかに基づいて、前記第1処理により生成される前記中間データを蓄積することが可能な記憶領域のサイズ、および前記第2処理により生成される前記暗号鍵を蓄積することが可能な記憶領域のサイズのうち少なくともいずれか1つを変更する請求項1に記載の量子鍵配送装置。
- 前記第1処理手段による前記第1処理、および前記第2処理手段による前記第2処理の実行の際に必要となる制御データを前記他の量子鍵配送装置と通信する1つの通信手段を、さらに備え、
前記制御手段は、前記通信手段の前記制御データの通信動作を制御する請求項1に記載の量子鍵配送装置。 - 前記制御手段は、前記第1処理による前記中間データの生成速度、および前記第2処理による前記暗号鍵の生成速度の調整とは別に、前記通信手段の通信帯域を観測し、前記通信帯域に応じて、前記第1処理および前記第2処理のアルゴリズムを変更して、前記制御データの通信量を調整する請求項4に記載の量子鍵配送装置。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の量子鍵配送装置を複数備え、
前記複数の量子鍵配送装置は、前記量子通信路によって接続され、該量子通信路を介した前記量子鍵配送、および前記鍵蒸留処理により、同一の前記暗号鍵を生成する量子鍵配送システム。 - 他の量子鍵配送装置と量子通信路で接続され、同一の暗号鍵を生成して共有する量子鍵配送装置の量子鍵配送方法であって、
前記量子通信路を介した前記他の量子鍵配送装置との量子鍵配送により生成された光子ビット列に対するシフティング処理を含む鍵蒸留処理のうち少なくとも一部の処理である第1処理を実行し、かつ、前記第1処理の少なくとも一部を集積回路により実行させる第1処理ステップと、
前記第1処理以外の前記鍵蒸留処理である第2処理を実行し、かつ、前記第2処理の少なくとも一部を集積回路により実行させる第2処理ステップと、
前記第1処理により生成した中間データを記憶手段に記憶させる記憶ステップと、
前記記憶手段に記憶された前記中間データから、前記第2処理によって前記暗号鍵を生成する生成ステップと、
前記鍵蒸留処理の処理結果を含む実行ログを前記記憶手段に記憶させるステップと、
前記実行ログ、前記第1処理による前記中間データの生成速度、前記第2処理による前記暗号鍵の生成速度、前記中間データのサイズまたは蓄積量、および前記記憶手段のデータ記憶量の少なくともいずれかに基づいて、前記第1処理および前記第2処理の動作パラメータ、前記鍵蒸留処理の実行タイミング、および前記記憶手段の利用可能な記憶領域の少なくともいずれかを変更することにより、前記第1処理による前記中間データの生成速度、および前記第2処理による前記暗号鍵の生成速度を調整するステップと、
を有する量子鍵配送方法。
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