JP2009509366A - 波長ルーティングを用いたマルチユーザのｗｄｍネットワーク上での量子鍵配布方法およびシステム - Google Patents

Abstract

マルチユーザの波長分割多重（ＷＤＭ）ネットワーク上で量子鍵を配布するためのシステムと方法を開示する。本システムは、波長が調整可能な、あるいはマルチ波長をもつ送信器、それぞれに受信波長が割り当てられた複数の受信器、および送信器を受信器に接続するマルチユーザのＷＤＭネットワークを含む。送信器は、複数の受信器の内、自分と通信すべき一つの受信器を選択し、選択された受信器にＷＤＭネットワーク上で量子信号を送信することができる。量子信号は、受信器の受信波長に等しい波長にある。したがって、ＷＤＭネットワークを用いれば、波長ルーティングによって送信器と複数の受信器の間で量子信号をやりとりすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、暗号化されたデータを通信するためのシステムに関する。特に、本発明は、波長ルーティングを用いたマルチユーザの波長分割多重（ＷＤＭ）ネットワーク上での量子鍵配布技術に関する。

量子暗号は従来の暗号を強化する候補であると当然のように信じられている。なぜなら量子暗号は量子理論の法則によって究極のセキュリティを与えることができるからである。この分野の研究はたいてい、二人のユーザ間のポイントツウポイント伝送に集中している。今のところ、量子暗号は光ファイバと自由空間におけるポイントツウポイントリンクで成功を収めている。しかし、今までネットワーク上の量子鍵配布については限られた成果しか得られていない。ネットワーク上の量子鍵配布については、ポイントツウポイント伝送の場合よりも多くの問題がある。事実、ネットワーク上で量子鍵を配布することは困難であると考えられてきた。

図１は、スター型ネットワーク上の量子鍵配布の従来構成を示す。これは、送信器と受信器でＢＢ８４プロトコルにもとづいて、弱いパルス列について４位相シフトを行うものである。これを立ち上げる際、送信器（Ｔｘ）と受信器（Ｒｘ１〜Ｒｘ３）は位相変調器を用いて、位相シフトを符号化および復号する。そして、送信器は四つの位相（すなわち、０、π／２、πおよび３π／２）からランダムに選ばれた位相シフトで３フォトンのパルスをファイバに発射する。パルスは、３つの受信器の間で等しく分割される。測定のために、各受信器は送信されたパルスと同期する必要がある。加えて、この立ち上げではどのユーザが信号を受信するべきかを特定することはできない。なぜなら、ここで述べたネットワークでは、すべてのユーザは、意図された受信者でなかったとしても、送信器からの信号を同時に受信することができるからである。つまり、このシステムは特定の二人のユーザ間でだけ量子鍵配布を実現するリンクを構築することはできない。

一般に、本発明は、量子鍵配布のための通信システムを提供する。本システムにおいて、送信器は、従来の光通信ネットワーク上で、各受信器に対して異なる波長で送信された異なる秘密鍵を用いることにより、複数の受信器と通信することができる。

本発明はまた、比較的単純な構成を用いて、高い通信効率をもった、量子鍵配布のための通信システムを提供する。

本発明は、波長ルーティングを用いた、マルチユーザのＷＤＭネットワーク上での送信器と複数の受信器間の量子鍵配布の方法を提供する。この方法は、１）各受信器に異なる受信波長を割り当るステップと、２）複数の受信器の内、送信器と通信すべき一つの受信器を選択するステップと、３）ＷＤＭネットワーク上で送信器から選択された受信器へ量子信号を送信するステップとを含み、送信される量子信号は受信器の受信波長に等しい波長である。

本発明はさらに量子鍵配布のための通信システムを提供する。本システムは、送信器と、それぞれに受信波長が割り当てられた複数の受信器と、送信器を複数の受信器に接続するマルチユーザのＷＤＭネットワークとを含み、送信器が、複数の受信器の内、自分と通信すべき受信器を選択し、選択された受信器にＷＤＭネットワーク上で量子信号を送信し、量子信号は選択された受信器の受信波長と等しい波長である。

本発明のある態様によれば、波長ルーティング技術が、複数の受信器に量子鍵配布を実装するために採用される。波長ルーティングは、波長分割逆多重化器によって実現することができ、波長分割逆多重化器はアレイ導波路回折格子の形であってもよい。さらに、本システムは、光ファイバネットワークに適した全ファイバ接続を用いることができる。

本発明の別の態様によれば、本システムに連続波光を採用する。これによりシステムのセキュリティを改善することができる。また、本システムにおける温度変化と位相変位の影響を克服するために、本発明において差分位相検出を用いる。これにより、システムが単純かつ安定になる。さらに、本発明は、弱いコヒーレントな状態、たとえば、位相シフト０とπをもつ２つの非直交状態にあるランダムに位相変調された光を採用する。これによりシステムの通信効率を高めることができる。

本発明を図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明に係るマルチユーザＷＤＭネットワーク上の量子鍵配布のための通信システムの実施の形態を示す。図２に示すように、この通信システムは、送信器１００、それぞれ異なる受信波長（λ１〜λｎ、ここでｎ＝８）が割り当てられた複数の受信器２００（この実施の形態では８個の受信器）、および送信器１００を受信器２００につなぐ８ユーザのＷＤＭネットワークを含む。

本発明において、特定のユーザ間の量子鍵配布を実装するために、波長ルーティング技術が用いられる。実施の形態では、波長ルーティングは、アレイ導波路回折格子（Array Waveguide Grating；ＡＷＧ）のような波長分割デマルチプレクサ４００によって実現することができる。したがって、送信器１００は各受信器とチャネル（たとえば、チャネル１からチャネルｎまで）を確立するために一つの波長を選ぶことができ、送信器１００はすべての受信器に信号を送る必要はない。たとえば、一つの受信波長λ１をもつ受信器２１０が、送信器１００と通信するために選ばれると、送信器はλ１に等しい波長をもつ量子信号を送信することになる。光ファイバ３００を通過した後の信号は、ＡＷＧ４００に到達し、ＡＷＧ４００は量子信号を一つの受信器２１０にだけ届くようにルーティングすることができる。このようにして、送信器１００はただ一つの選択された受信器とだけ量子信号をやりとりすることができる。送信器の波長を調整するか、マルチ波長送信器であれば適当な波長を選択することにより、単一の送信器が、ＷＤＭ技術を用いて、各受信器２００に量子信号を送信することができる。本実施の形態において、各受信器に割り当てることができる受信波長は表１にリストされている。

図３を参照して、本発明に係るマルチユーザＷＤＭネットワーク上で一つの送信器と意図された（選択された）一つの受信器の間で量子信号を送信する構成を説明する。

図３に示すように、受信器２１０が送信器１００と通信するために選ばれると、送信器１００における調整可能なレーザ１０１が、受信器２１０の受信波長に対応する波長の連続波（ＣＷ）光を位相変調器（ＰＭ）１０２に向けて放射する。ランダムデータ信号生成器（ＳＧ）１０４によって生成された０またはπのランダム位相シフトがＣＷ光に付加される。次に、ランダム位相シフトをもつＣＷ光は、可変光減衰器（ＶＯＡ）１０３の出口において、測定されたゲート周期内で１より小さい平均光子数をもつ単一光子に減衰させられる。この可変光減衰器１０３は、８．５ｋｍの標準的な単一モードの光ファイバ３００とつながっている。その後、減衰した光信号はＡＷＧ４００に送信され、どのユーザが選択されたかが波長ルーティングによって決定される。ＡＷＧ４００は複数の出力ポート４０１〜４０ｎを提供する。各出力ポートは別個の中心波長と、各受信器の受信波長に対応する帯域幅をもつ。そして、ＡＷＧ４００を通過すると、減衰した信号は受信波長に対応する選択された受信器２１０に到着する。

受信器２１０は、送信器１００によって導入された位相シフトを再構築するための非対称のマッハ・ツェンダー干渉計２１８を提供する。好ましくは、非対称のマッハ・ツェンダー干渉計２１８は、第１の５０／５０ビームスプリッタ２１１、ロングアーム２１２、ショートアーム２１３、および第２の５０／５０ビームスプリッタ２１４を含む。ビームスプリッタ２１１は、それぞれロングアーム２１２およびショートアーム２１３に入る二つの部分に入力信号を分割するために用いられる。二つに分割された光信号はビームスプリッタ２１４によって再び結合される。ビームスプリッタ２１４において、二つのアーム２１２および２１３間の時間差は位相変調周期の時間間隔に等しくなるよう設定される。すなわち、送信器１００のランダムデータ信号生成器１０４は、位相変調器１０２を同期させ、二つのアームを伝わる間に光が受ける時間差に等しい位相変調周期の時間間隔をもつように光を変調させる。マッハ・ツェンダー干渉計２１８を用いることで、二つのアームの光子間で干渉が起こる。受信器２１０は、単一光子検出モジュール２１９により、強め合うように干渉した信号によって生成される単一光子を検出することができる。単一光子検出モジュール２１９は、二つの単一光子検出器２１５と２１６を含み、これらの単一光子検出器はそれぞれビームスプリッタ２１４の二つの出力につながっている。検出モジュールは２．５ｎｓで１００ＫＨｚのゲートモードで動作する。データはデータキャプチャソフトウエアを用いてコンピュータに格納することができる。さらに、光子が検出器で検出されるタイムスロットを測定するために、タイムスロット測定デバイス（ＴＳＭ）２１７を単一光子検出モジュール２１９内に設けることができる。

暗号化されていない（raw）鍵を送信した後、受信器２１０は送信器１００に測定されたタイムスロットを伝える。このタイムメッセージと光子の変調状態から、送信器は受信器においてどの検出器がクリックしたかを知る。検出器２１５によるクリックを「０」、検出器２１６によるクリックを「１」と標記するという取り決めのもと、たとえば、送信器１００と受信器２１０は同一の量子鍵を取得する。

このようにして、送信器１００は受信器２１０との間で、一つのチャネル、すなわちチャネル１を確立するための波長を選択することができ、送信器１００は他の受信器に信号を送る必要がなくなる。

さらに、他のすべての受信器は、受信波長が異なるという点を除けば、受信器２１０と同じ構成をもつので、送信器１００は、上述と同様の方法で、いずれの単一の受信器とも通信することができる。

単一光子検出モジュール２１９の効率は、１０％よりも大きいから、計数レートは、測定されたタイムスロット内で単一光子であることを保証するために、１０ＫＨｚよりも小さくするべきである。よりよい性能を確保するために、本発明のレーザは狭帯域のレーザ光源であり、レーザから放射される光は、アレイ導波路回折格子の各出力ポート（出力ポート４０１から４０ｎ）の帯域幅よりも狭い帯域幅をもつ。本発明の実施の形態によれば、レーザ１０１は１４７５ナノメートルから１６００ナノメートルまでの間で調整することができる。実施の形態で使用される受信波長は表１にリストされている。最後に、単一光子信号は各チャネルにおいて測定されており、他のチャネルによるクロストークも検出される。変調タイムスロット内で単一光子であることを保証するために、実験の計数レートは、毎秒１×１０^４カウントよりも小さい。これは、送信器側の測定されたスロット内で０．１カウントよりも小さいことに相当する。約１２ｄＢの伝送損失を受けた後、受信器には約６％の単一光子が存在する。受信器２００において使用されたゲートの割合は表１に示されており、送信器１００から受信器２００に到着した単一光子の計数レートも表１に示されている。８ユーザネットワークの各チャネルにおけるエラーレートは表２に記載されている。

本システムは、光ファイバネットワークに適した全ファイバ接続を用いることができる。本システムの量子鍵信号は二つの連続する位相間の位相差によって伝送される。

差分位相検出を採用する利点は、本システムにおける温度変動と位相変動の影響を克服することであり、またシステムを単純にすることである。別の利点は通信効率を高めることである。以前のスキームでは、検出が受信器側でなされるとき、少なくとも二つの測定基底が必要である。原則的に、５０パーセントだけの正しい出力が得られる。したがって、３ｄＢの損失が生じることになり、ＢＢ８４プロトコルが使われてきた。しかしながら、本システムでは測定された結果をすべて使うことができる。

本発明のシステムでは、連続波光が用いられており、本システムのセキュリティの向上を図ることができる。パルス光と比べると、盗聴者イブは、位相変調の周期を測定することができない。したがって、イブは干渉計の詳細な情報を知ることができない。事実、単一パルスを使うと、より多くの情報（量子鍵を形成するのにたいへん重要な干渉計の構造パラメータ）を盗聴者に漏らすことになる。連続光を採用するなら、盗聴者は干渉計の二つのアーム間の違いを知ることができず、本システムのセキュリティを一層向上させる。

他の自動補償スキームと比べると、本発明の構成によれば、現構造においては（干渉をもたらすことのある）リターン信号が存在しないため、ノイズは低い。このことは別の利点である。

図４は、８チャンネルに対する実験的な鍵レートは、黒い菱形で示されるように、おおよそ毎秒２ｋｂから毎秒５ｋｂまで変化することを示す。図４の他の点は、参照されるチャネルによるクロストークを示す。チャネル１によるクロストークは、チャネル１が最も高い単一光子レートであるために、最も高い。セキュリティのため、本システムにおいて損失に対する上限がある。損失には、ファイバの伝送損失、コンポーネント挿入損失、波長ルーティングからの損失、および不完全なアラインメントによって生じる損失が含まれる。約１２ｄＢの総損失は、ビット単位の平均光子数０．１に対する安全な上限である３１ｄＢよりもずっと低い。クロストークは、主に、波長逆多重化デバイス、ＡＷＧ、およびレーザ光源によってもたらされている。図４を見れば、本アーキテクチャにおいて量子鍵配布が実行可能であることは明らかである。なぜなら、クロストークおよび暗計数がもたらす計数レートは、単一光子計数に比較すると、非常に小さいからである。

したがって、波長ルーティングを用いたマルチユーザネットワーク上の量子鍵配布は、実験的に実現され、ツリー型ネットワークのブロードキャストの問題を克服する。さらに、差分位相変調を連続波光に適用することで、本システムにおける温度と偏光の揺らぎがもたらす変動を取り除くことができる。また、本開示で実証された単純な構成による高い鍵生成効率は、実用的なアプリケーションに適している。

説明の簡単のため、実施の形態では８個の受信器を説明したが、より少ないまたはより多い数の受信器を実際のネットワークで用いてもよいことは、当業者には明らかである。選択される数は利用分野に応じて異なる。

本発明の範囲は請求項で定義されるものであり、サマリーにおける説明や好ましい実施の形態の詳細な説明によって限定されるべきではないことが認められる。

先行技術に係るスター型ネットワーク上の量子鍵配布の原理を示す概略図である。 本発明に係るマルチユーザＷＤＭネットワーク上の量子鍵配布のための通信システムにおいて採用される波長ルーティング技術の原理を示す概略図である。 本発明に係る通信システムの概略図であり、送信器と受信器の間のチャネルの構造を図示する。 本発明に係る８ユーザのＷＤＭネットワーク上での送信器と８個の異なる受信器間の通信の鍵レートとクロストークの実験結果を示す。

Claims (20)

1. マルチユーザのＷＤＭネットワーク上での送信器と複数の受信器間の量子鍵配布の方法であって、
   各受信器に異なる受信波長を割り当るステップと、
   複数の受信器の内、送信器と通信すべき一つの受信器を選択するステップと、
   ＷＤＭネットワーク上で送信器から選択された受信器へ量子信号を送信するステップとを含み、
   送信される量子信号は受信器の受信波長に等しい波長であることを特徴とする方法。
2. ＷＤＭネットワーク上で送信器から選択された受信器へ量子信号を送信するステップは、
   送信器の光源から光を放射するステップと、
   位相変調周期において二つの非直交状態をもつ光をランダムに位相変調するステップと、
   １よりも小さい光の平均光子数が、単一光子検出器によって１タイムスロット内で検出されるように位相変調された光を減衰させるステップと、
   減衰された光を光ファイバを通して送信するステップと、
   複数の出力ポートをもち、各出力ポートは中心波長と各受信器の受信波長に対応する帯域幅とをもつ波長分割逆多重化器を用いることにより、減衰された光を選択された受信器にルーティングするステップと、
   ロングアームとショートアームを含む二つのアームであって、ロングアームとショートアームの間で光が伝搬する時間差が位相変調周期の時間間隔に等しいようなアームによって、選択された受信器によって受信された光を二つの部分に分割するステップと、
   二つのアームを通過した後、干渉が生じるように光の二つの部分を結合するステップと、
   強め合う干渉が起きたとき、二つの検出器によって光子を検出するステップと、
   どちらの検出器が光子を検出するかを決定することにより、受信器において量子鍵を確立するステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記光源から放射された光は連続波光であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記波長分割逆多重化器はアレイ導波路回折格子であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記光源は、放射される光が前記波長分割逆多重化器の各出力ポートの帯域幅よりも狭い帯域幅をもつ狭帯域レーザ光源であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
6. 光子が受信器で検出されるタイムスロットを測定するステップと、
   受信器から送信器にタイムスロットのメッセージを送信するステップと、
   送信器においてタイムスロットのメッセージを解析することにより量子鍵を決定するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
7. 量子鍵配布のための通信システムであって、
   送信器と、
   それぞれに受信波長が割り当てられた複数の受信器と、送信器を複数の受信器に接続するマルチユーザのＷＤＭネットワークとを含み、
   送信器は、複数の受信器の内、自分と通信すべき受信器を選択し、選択された受信器にＷＤＭネットワーク上で量子信号を送信し、
   量子信号は選択された受信器の受信波長と等しい波長であることを特徴とする通信システム。
8. 前記送信器は、
   光を放射する光源と、
   位相変調周期内で光をランダムに位相変調するための位相変調器と、
   １より小さい平均光子数が、単一光子検出器によって１タイムスロット内で検出されるように、変調された光を減衰させる可変光減衰器とを含むことを特徴とする請求項７に記載の通信システム。
9. 前記光源は１４７５ナノメートルから１６００ナノメートルまでの範囲で調整可能なレーザであることを特徴とする請求項８に記載の通信システム。
10. 前記光源から放射された光は連続波光であることを特徴とする請求項８に記載の通信システム。
11. 前記光は二つの非直交状態をもたせて位相変調されていることを特徴とする請求項８に記載の通信システム。
12. 前記ＷＤＭネットワークは、
    光ファイバと、
    減衰された光を選択された受信器にルーティングする波長分割逆多重化器とを含み、
    前記波長分割逆多重化器は、複数の出力ポートをもち、各出力ポートは、個別の中心波長と各受信器の受信波長に対応する帯域幅をもつことを特徴とする請求項８に記載の通信システム。
13. 前記波長分割逆多重化器はアレイ導波路回折格子であることを特徴とする請求項１２に記載の通信システム。
14. 前記光源は、放射される光が前記波長分割逆多重化器の各出力ポートの帯域幅よりも狭い帯域幅をもつ狭帯域レーザ光源であることを特徴とする請求項１２に記載の通信システム。
15. 前記光ファイバは、標準的な単一モード光ファイバであることを特徴とする請求項１２に記載の通信システム。
16. 各受信器は、
    量子信号検出のための非対称マッハ・ツェンダー干渉計であって、異なる時間の遅延をもつ二つのアームをもち、二つのアームからの信号間で干渉を生成する干渉計と、
    強め合う干渉が起きた場合に、光子を検出する単一光子検出モジュールとを含むことを特徴とする請求項１２に記載の通信システム。
17. 前記非対称マッハ・ツェンダー干渉計は、
    二つのアームによって光を二つの部分に分割するためのビームスプリッタであって、二つのアーム間の時間差が位相変調周期の時間間隔に等しい第１ビームスプリッタと、
    前記二つの部分が二つのアームを通過した後、互いに干渉するように、前記二つの部分を結合するための第２ビームスプリッタとを含むことを特徴とする請求項１６に記載の通信システム。
18. 前記単一光子検出モジュールは、
    一方の検出器による光子のクリックは「０」、他方の検出器による光子のクリックは「１」で表される、光子を検出するための二つの検出器と、
    一つの光子が受信器で検出されるタイムスロットを測定するためのタイムスロット測定デバイスとを含むことを特徴とする請求項１６に記載の通信システム。
19. 当該システムは、ＷＤＭネットワークに適した全ファイバ接続を用いることを特徴とする請求項１６に記載の通信システム。
20. 前記送信器は、ランダムな位相シフトを前記位相変調器に加え、前記位相変調器を同期させて各受信器内のマッハ・ツェンダー干渉計の二つのアーム間の時間差に等しい位相変調周期の時間間隔内で光を変調させるランダムデータ信号生成器をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の通信システム。