JP5126479B2

JP5126479B2 - 量子鍵配布システム及び受信装置

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Publication number: JP5126479B2
Application number: JP2007107007A
Authority: JP
Inventors: 健一郎吉野; 芳弘南部
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2027-04-16
Also published as: JP2008270873A

Description

本発明は量子暗号システムに関し、特に光ファイバー通信により暗号秘密鍵を共有する量子鍵配布システムに関する。

インターネットの爆発的普及、電子商取引の実用化を迎え、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的な必要性が高まっている。現在、ＤＥＳ暗号のような共通鍵方式やＲＳＡ暗号をはじめとする公開鍵方式が広く用いられている。しかし、これらは「計算量的安全性」にその基盤を置いている。つまり、現行の暗号方式は計算機ハードウェアと暗号解読アルゴリズムの進歩に常に脅かされている。従って、特に銀行間のトランザクションや軍事・外交にかかわる情報などの極めて高い安全性が要求される分野では、原理的に安全な暗号方式が実用化されればそのインパクトは大きいものと予想される。

情報理論で無条件安全性が証明されている暗号方式にワンタイムパッド法がある。ワンタイムパッド法は通信文と同じ長さの暗号鍵を用い、暗号鍵を１回で使い捨てることが特徴である。非特許文献１において、現在ＢＢ８４プロトコルとして広く知られている、ワンタイムパッド法に使用する暗号秘密鍵を安全に配送する具体的なプロトコルがベネット（Bennett）らによりはじめて提案された。そして、これを契機に量子暗号の研究が盛んになっている。量子暗号は物理法則が暗号の安全性を保証するため、計算機の能力の限界に依存しない究極の安全性保証が可能になる。現在多く検討されている量子暗号装置では１ビットの情報を単一光子の状態にエンコードして伝送する。これは、光子が他の量子系に比べると環境による擾乱に強いと同時に、既存の光ファイバー通信技術の活用により長距離の暗号鍵配布が期待できるためである。

理論的にその安全性が証明されている量子暗号装置では、非特許文献１に記載されているように、量子力学的２自由度系の２つの区別可能な状態とそれに共役な状態（その重ね合わせ状態）を利用して秘密鍵が安全に伝送される。盗聴行為は量子力学的状態に擾乱を与え、正規送受信者のデータ中のエラーから漏洩情報量が推定できるようにプロトコルが設計されている。このような情報通信に用いられる量子状態はしばしば量子情報と呼ばれる。量子情報を担う量子力学的２自由度系は量子ビットと呼ばれ、それは数学的にはスピン１／２系と等価である。以下、担体となる物理系が光子の場合について、従来技術を記述する。

本発明に関連する、光子を量子ビット担体とし長距離伝送のため光ファイバーを伝送路として用いる暗号鍵配布装置について、以下に従来技術を説明する。光子を用いた量子暗号装置については、非特許文献２〜４に詳細な説明がある。非特許文献１では、光子の持ち得る２つの偏波状態に情報をエンコードする、偏波コーディングと呼ばれる量子暗号装置の実装が提案された。しかしながら、偏波コーディングには伝送路中の偏波回転の実時間制御及び補償が必要となるため、光ファイバーを伝送路として用いる長距離暗号鍵配布システムの実装方法としてはあまり使われない。

長距離暗号鍵配布システムとしては、２連微弱光パルス間の相対位相に情報をエンコードする、位相コーディングと呼ばれる量子暗号装置の実装がやはりベネットらにより提案され、実現されている。

図３は非特許文献２〜４に記載がある、位相コーディングによる量子暗号装置の代表的実装例を示している。この量子暗号装置では、２つの非対称マッハツェンダー干渉計を光ファイバー伝送路で直列に連結した構造の光学干渉計が用いられる。送信部（Ａｌｉｃｅ：アリス）側に装備された微弱レーザー光源３０１で発生した微弱な短光パルスを送信側の非対称マッハツェンダー干渉計３０２に入射することにより、光ファイバー伝送路３０３上にその長短尺光路差だけ空間的に分離したコヒーレント２連光パルス３０８を準備する。ここで、コヒーレントという言葉は、長短尺光路差の明確に定義された非対称マッハツェンダー干渉計３０２により２連パルスの２つのパルスの間に相対位相が明確に定義されていることを意味する。

２連光パルス３０８は光ファイバー伝送路３０３上を伝送中に擾乱を受けるが、それらの相対的位相関係や偏波面の関係は保存される。受信部（Ｂｏｂ：ボブ）側の非対称マッハツェンダー干渉計３０４により、２連光パルス３０８は３連光パルス３０９に変換され、下流側の２つの出力ポートに出力される。２つの出力ポートに接続された光子検出器３０５により、非対称マッハツェンダー干渉計３０４の２つの出力ポートに出力される３連光パルス３０９の中央の光パルス中に含まれる光子が０か１かを識別し記録する。３連光パルス３０９のうち中央の光パルスには、送信部側で非対称マッハツェンダー干渉計３０２の長尺部を通り受信部側の非対称マッハツェンダー干渉計３０４で短尺部を通ってきた光パルスと、送信部側で非対称マッハツェンダー干渉計３０２の短尺部を通り受信部側の非対称マッハツェンダー干渉計３０４で長尺部を通ってきた光パルスが寄与し、これら２つの寄与の干渉により２つの出力ポートへの強度比は２連光パルス３０８の光学遅延（相対的な位相）に正弦波関数的に依存する。この光学干渉システムにおいて２連光パルス３０８の光学遅延（相対的な位相）に変調を与えることにより、量子暗号の原理に基づく暗号鍵配布を行うことができる。

この目的のため、光パルスが非対称マッハツェンダー干渉計３０２を通過中に、そこに内包された位相変調器３０６で｛０、π／２、π、３π／２｝の４値の位相変調を行う。一方、光ファイバー伝送路３０３を伝送後の２連光パルス３０８が非対称マッハツェンダー干渉計３０４を通過中に、そこに内包された位相変調器３０７で｛０、π／２｝の２値の位相変調を行う。非対称マッハツェンダー干渉計３０２、３０４における光学遅延を適正に調整することにより、非特許文献１に提案された非直交４状態を用いる量子暗号鍵配布プロトコルを実行し、安全な鍵配布を行うことが可能である。

位相コーディングに基づく量子暗号装置は、光ファイバー伝送路との相性も良く、長距離鍵配布が可能であるというメリットがある。その一方で、送受信者がそれぞれ持つ非対称マッハツェンダー干渉計の相対光学遅延を光波長なみの精度で維持しなければならないという問題がある。これら送受信者に分散して配置された非対称マッハツェンダー干渉計の光学遅延は温度変化その他の原因により独立にゆらいだりドリフトしたりするため、光干渉効果は容易に消失する。この問題を解決するためには、両干渉計の相対光学遅延変化を測定装置で測定し、測定結果をフィードバックして相対光学遅延を一定に維持するアクティブな制御装置が必要となる。このような測定装置はそれ自体がシステムを複雑化するだけでなく、測定に用いる参照光がシステムノイズを増加させ、量子暗号装置の性能劣化の原因となる。

このような問題を解決するため、非特許文献５〜７に開示されているように、平面光回路（ＰＬＣ: Planar Lightwave Circuit）技術を応用した量子暗号装置が提案され開発されている。非対称マッハツェンダー干渉計を、シリコン基板上にパターニングで形成した光導波路で作製することにより、外乱の影響を受けることのない安定な光学干渉計を、温度制御というパッシブな制御のみによって実現することができ、低雑音のシステムを構築できるというメリットがある。

しかし、ＰＬＣを用いた実装の場合、先に示したような位相変調器を内包した低損失な非対称マッハツェンダー干渉計を製作することは現状技術では容易ではない。コスト増は問題としないとしても、デバイスの光学損失の増加は、微弱光を情報担体として用いる量子暗号装置の性能劣化に直結するため、許容できない問題である。

この問題を解決するため、位相変調器を非対称マッハツェンダー干渉計の外部に配置した、図４に示すような量子暗号装置が提案され、開発されている。

この量子暗号装置では、送信部（Ａｌｉｃｅ：アリス）側に装備された微弱レーザー光源４０１で発生した微弱な短光パルスを送信部側のＰＬＣにより構成された非対称マッハツェンダー干渉計４０２に入射することより、光ファイバー伝送路４０３上にその長短尺光路差だけ空間的に分離したコヒーレント２連光パルス４０９を準備する。２連光パルス４０９は光ファイバー伝送路４０３上を伝送される。受信部（Ｂｏｂ：ボブ）側のＰＬＣにより構成された非対称マッハツェンダー干渉計４０４により、２連光パルス４０９は３連光パルス４１０に変換され、下流側の２つの出力ポートに出力される。光子検出器４０５により、非対称マッハツェンダー干渉計４０４の２つの出力ポートに出力される３連光パルス４１０の中央の光パルス中に含まれる光子の有無を識別し記録する。

送信部側の非対称マッハツェンダー干渉計４０２の下流に直列に挿入接続した位相変調器４０６、４０７に、それぞれの位相変調器の２連光パルス４０９の通過時に同期してパルス的な変調信号を印加する。これにより、２連光パルス４０９の一方のパルスに選択的に｛０、π／２、π、３π／２｝の４値の位相変調を与え、もって２連光パルス４０９の光学遅延（相対位相）に４値変調を与える。一方、受信部側の非対称マッハツェンダー干渉計４０４の上流に直列に挿入接続した位相変調器４０８に、２連光パルス４０９の通過時に同期してパルス的な変調信号を印加する。これにより、２連光パルス４０９の一方のパルスに選択的に｛０、π／２｝の２値の位相変調を与え、もって２連光パルス４０９の光学遅延（相対位相）に２値変調を与える。非対称マッハツェンダー干渉計４０２、４０４における光学遅延を調整することにより、図３の量子暗号装置と同様に非特許文献１に提案された非直交４状態を用いる量子暗号鍵配布プロトコルを実行し、安全な鍵配布を行うことが可能である。

ベネット（Bennett）、ブラッサ-ド（Brassard）著 IEEEコンピュータ、システム、信号処理国際会議（IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p. 175 (1984)）ツビンデン（Zbinden）ほか著「Experimental Quantum Cryptography」、「INTRODUCTION TO QUANTUM COMPUTATION AND INFORMATION（ロー（Lo）ら編著）」（World Scientific、１９９８年出版）、１２０ページエカート（Ekert）ほか著「Quantum Cryptography」、「The Physics of Quantum Information（ボウメスター(Bouwmeester)ら編著）」（Springer、２０００年出版）、１５ページジザン（Gisin）ほか著「Quantum Cryptography」レビュー・オブ・モダン・フィジックス（Rev. Mod. Phys.）、７４号（２００２年出版）、１４５−１９５ページ南部ほか著「BB84 Quantum Key Distribution System Based on Silica-Based Planar Lightwave Circuits」ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Jpn J. Appl. Phys.）、４３号（２００４年出版）、Ｌ１１０９ページ木村ほか著「Single-photon Interference over 150 km Transmission Using Silica-based Integrated-optic Interferometers for Quantum Cryptography」ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Jpn J. Appl. Phys.）、４３号（２００４年出版）、Ｌ１２１７ページ南部ほか著「One-way Quantum Key Distribution System based on Planar Lightwave Circuit」ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Jpn J. Appl. Phys.）４５号、６Ａ巻（２００６年出版）、５３４４−５３４８ページ

上記技術の第１の問題点は、受信部側における位相変調器の光学損失である。位相変調器は典型的には３ｄＢ程度の損失を持ち、これがそのまま暗号鍵生成レートの低下につながる。

第２の問題点は、送信部側、受信部側の双方で位相変調器の高速制御が必要な点である。非対称マッハツェンダー干渉計の長短尺光路差は典型的には５ナノ秒程度であり、２連光パルスの片方だけに位相変調を行うためには１ナノ秒オーダーの高速な変調が必要になる。また、この高速変調を光パルスの通過に同期して与えるためには高精度な信号同期も必要となる。

本発明の目的は、受信部側から位相変調器を排除できるようにすることによって暗号鍵生成レートを向上することである。

本発明の他の目的は、従来のシステムよりも簡便な構成で済む量子鍵配布システムを提供することである。

本発明による量子鍵配布システムにおける送信装置は、ＢＢ８４プロトコルに必要な非直交４状態を生成するために２つの位相変調器を並列に接続して用いることを特徴とする。

具体的に言えば、送信装置は、光パルスを発生するレーザー光源と、前記光パルスを受けてコヒーレントな２連光パルスを生成する光遅延回路、例えば非対称マッハツェンダー干渉計と、前記光遅延回路からの光路を２つに分岐する第１のカップラーと、前記第１のカップラーの各出力ポートに１つずつ接続された第１、第２の位相変調器と、前記第１、第２の位相変調器の出力を１つの光路に結合する第２のカップラーとを有し、前記第１の位相変調器では入射する光パルスに｛０°、９０°｝の位相変調を施し、第２の位相変調器では入射する光パルスに｛０°、１８０°｝の位相変調を施すことにより符号化を行うことを特徴とする。

一方、本発明による量子鍵配布システムにおける受信装置は、位相変調器を必要とせず、送信装置からの２連光パルスの相対位相を分析するための光遅延回路、例えば非対称マッハツェンダー干渉計と、光パルスの到着時間を分析するための光学系とを含むことを特徴とする。

なお、受信装置においては、前記送信装置からの光パルスをカップラーで２つに分岐し、分岐した一方の光パルスを該受信装置側の前記非対称マッハツェンダー干渉計に、分岐した他方の光パルスを前記光学系にそれぞれ入射させるようにしても良いし、あるいはまた、前記送信装置からの光パルスを該受信装置側の前記非対称マッハツェンダー干渉計に入射させ、該非対称マッハツェンダー干渉計の内部に分岐用のカップラーを接続して分岐した光パルスを前記光学系に入射させるようにしても良い。

本発明によればまた、上記の送信装置と、上記の受信装置とを含む量子鍵配布システムが提供される。

本発明によれば、受信装置から位相変調器を排除することができるため、暗号鍵生成レートを向上することが可能である。また、これに伴って受信装置における位相変調器の制御が不要となるため、従来の量子鍵配布システムよりも簡便な構成の量子鍵配布システムを提供できる。

［発明の概念］
本発明による量子鍵配布システムの実施形態について説明する前に、本発明の概念を説明する。

本発明による量子鍵配布システムにおける送信装置では、まず微弱レーザー光源から発生した光パルスを非対称マッハツェンダー干渉計などの光遅延回路によって２連光パルスに変換する。次に、この２連光パルスを並列接続された２つの位相変調器に入射し、それらの出力光を結合したうえで光ファイバー通信路を通して受信装置へと送信する。

並列接続された位相変調器というのは、入力光である２連光パルスを２つの光路に分岐し、各光路に１つずつ位相変調器を配置し、その後再び２つの光路を結合させたものである。この並列接続された２つの位相変調器の入出力関係は以下の数１で表すことができる。

上記数式において、Ｅｉｎ、Ｅｏｕｔは入出力光の複素電場振幅を、φ_１、φ_２は各位相変調器による位相シフト量をそれぞれ表す。本発明ではそれぞれの位相変調は２値変調とし、φ_１＝｛０°,９０°｝、φ_２＝｛０°,１８０°｝の値を採用する。この場合に出力される４つの状態の強度と位相は以下の表１のようになる。

このような並列接続された２つの位相変調器を用いて、分岐された２連光パルスの各光パルスに個別に変調を施すことにより、ＢＢ８４プロトコルに必要な非直交４状態を生成することができる。

第１の状態は、２連光パルスの前パルスに｛φ_１,φ_２｝＝｛０°,０°｝の変調を、後パルスに｛φ_１,φ_２｝＝｛０°,１８０°｝の変調をそれぞれ施す。これにより強度が１の前パルスのみの状態を生成できる。第２の状態は、第１の状態と同じ変調を逆の順序で施すことにより、強度が１の後パルスのみの状態を生成する。ここでは便宜上、これらの２つの状態を「Ｚ基底に属する２状態」と呼び、それぞれにビット０、ビット１を割り当てる。この２状態は直交状態となっているため、適切な測定方法によって確実に識別することができる。

第３の状態は、２連光パルスの前パルスに｛φ_１,φ_２｝＝｛９０°,０°｝の変調を、後パルスに｛φ_１,φ_２｝＝｛９０°,１８０°｝の変調をそれぞれ施す。これによって強度が１/２で、前後パルスの相対位相が＋９０°ずれた２連光パルスを生成できる。第４の状態は、第３の状態と同じ変調を逆の順序で施すことにより、強度が１/２で前後パルスの相対位相が−９０°ずれた２連光パルスを生成する。これら２つの状態を「Ｙ基底に属する２状態」と呼び、再びビット０、１を割り当てる。これらの２状態もやはり直交状態となっているため適切な測定方法によって識別可能である。また、Ｚ基底に属する状態とＹ基底に属する状態とは直交状態になっていないため、どのような測定方法を用いても誤りなく識別することは不可能である。

以上のように、２連光パルスと並列接続された２つの位相変調器によってＢＢ８４プロトコルに必要な非直交４状態を生成することができる。

本発明による量子鍵配布システムにおける受信装置では位相変調器を用いずに、２連光パルスの相対位相を分析するための非対称マッハツェンダー干渉計と、光パルスの到着時間を分析するための光学系とを含む分析系を２組並列に用意し、送信装置から送られた光パルスが各分析系に等確率で入射されるようにする。一方の分析系はＹ基底に関する測定を行い、他方の分析系はＺ基底に関する測定を行うことができる。以下ではそれぞれの動作について説明する。

非対称マッハツェンダー干渉計に対してＹ基底に属する状態の２連光パルスが入射された場合の出力は３連光パルスとなり、その中央部分は入射前の２連光パルスが重ね合わさったものになる。２連光パルスの相対位相は、前記第１の状態では＋９０°、前記第２の状態では−９０°であったので、非対称マッハツェンダー干渉計の長尺光路、短尺光路の位相差が＋９０°となるように設定しておくことによって、２連光パルスの相対位相は第１の状態では１８０°(逆位相)、第２の状態では０°(同位相)とすることができる。従って非対称マッハツェンダー干渉計の２つの出力ポートのどちらから光子が検出されたかによってＹ基底の２状態を識別することができる。

光パルスの到着時間を分析するための光学系に対してＺ基底に属する状態の光パルスが入射した場合については、当然識別が可能である。なぜならＺ基底の２つの状態とは、光パルスが前の時間スロットにある状態か後の時間スロットにある状態かであり、到着時間が異なる状態だからである。

以上のような原理、方法によって送信装置側で２つの非直交基底に属する４状態を生成し、受信装置側ではそれぞれの基底において２つの状態を識別することができる。従って本発明を用いてＢＢ８４プロトコルを実行し、安全に暗号鍵を共有することが可能である。

［実施形態の構成］
図１は本発明による量子鍵配布システムの実施形態の構成を示す図である。送信装置（Ａｌｉｃｅ：アリス）１０１と受信装置（Ｂｏｂ：ボブ）１０２が光ファイバー通信路１０３によって接続されている。

送信装置１０１の構成は以下のようになっている。送信装置１０１に内蔵された微弱レーザー光源１０４の出力は、非対称マッハツェンダー干渉計などの光遅延回路１０５に入力され、続いてその出力は並列接続された２つの位相変調器（第１、第２の位相変調器）１０６−１、１０６−２に入射する。並列接続された２つの位相変調器１０６−１、１０６−２では、それらの入力側において５０／５０カップラー（第１のカップラー）１０６−３などによって２つの光路に分岐され、各光路に１つずつ配置された第１、第２の位相変調器１０６−１、１０６−２を通過した後再び２つの光路がカップラー（第２のカップラー）１０６−４で結合され、出力される。この出力は、送信装置１０１からの出力として光ファイバー通信路１０３に接続される。

次に受信装置１０２の構成を説明する。光ファイバー通信路１０３からの入力光は受信装置１０２に入力され、内部の５０／５０カップラー１１１などによって２つの光路に分岐される。その一方は非対称マッハツェンダー干渉計１０７へ、もう一方は光パルスの到着時間を分析する光学系１０８へそれぞれ接続され、それぞれの出力ポートには光子検出器１０９が接続される。

なお、図１に示す受信装置１０２の構成に代えて、図２に示すように、非対称マッハツェンダー干渉計２０１の内部に５０／５０カップラー２０２を接続して光パルスの到着時間を分析する光学系２０３へと分岐させた場合にも、この受信装置１０２’は図１に示す受信装置１０２と同様の機能を持つ。

［動作］
送信装置１０１に内蔵された微弱レーザー光源１０４から発生した光パルスは光遅延回路１０５に入射し、光路長の異なる長尺光路、短尺光路を通過した後再び結合されるために２連光パルスとなる。この２連光パルスに対し、並列接続された２つの位相変調器１０６−１、１０６−２を用いて、一方の位相変調器１０６−１では｛０°、９０°｝の２値の位相変調を与え、もう一方の位相変調器１０６−２では｛０°、１８０°｝の２値の位相変調を与える。［発明の概念］の項で述べたように、これらの２つの位相変調器１０６−１、１０６−２によってＢＢ８４プロトコルに必要な４状態１１０を生成することができる。このように生成された光パルスは、光ファイバー通信路１０３によって受信装置１０２へと送信される。

受信装置１０２では、送信されてきた光パルスは５０／５０カップラー１１１などによって分岐され、非対称マッハツェンダー干渉計１０７、光パルスの到着時間を分析する光学系１０８にそれぞれ入射する。［発明の概念］の項で述べたように、非対称マッハツェンダー干渉計１０７ではＹ基底に属する２つの状態を識別できるため、もし送信されてきた光パルスがＹ基底に属する状態であれば、受信装置１０２はこれによってビットが０か１かを決定することができる。また逆に、到着時間を分析する光学系１０８ではＺ基底に属する２状態を識別できるため、もし送信されてきた光パルスがＺ基底に属する状態であれば、受信装置１０２はこれによってビットが０か１かを決定できる。

なお、Ｙ基底の状態が送信されたにも関わらず到着時間を分析する光学系１０８で光子を検出してしまった場合や、その逆のＺ基底が送信されたにも関わらず非対称マッハツェンダー干渉計１０７で光子を検出してしまった場合には、受信装置１０２はランダムな測定結果を得てしまうことになり、送信されたビット値を推測することができない。このためＢＢ８４プロトコルには、光パルスの送受信が完了した後に通常の通信路（図示せず）によって両者が使用した基底を公開し、基底の一致した光パルスによるイベントだけを抽出するという処理が含まれている(この際、ビット値は公開せずに基底のみを公開するため、この通信は盗聴されても構わない)。以上のような処理を行うことにより、安全に暗号鍵を共有することができる。

図１は本発明による量子鍵配布システムの実施形態の構成を示す図である。図２は図１に示された受信装置の他の構成例を示す図である。図３は従来の量子鍵配布システムの第１の例の構成図である。図４は従来の量子鍵配布システムの第２の例の構成図である。

符号の説明

１０１送信装置
１０２受信装置
１０３光ファイバー通信路
１０４微弱レーザー光源
１０５光遅延回路
１０６−１、１０６−２並列接続された位相変調器
１０７非対称マッハツェンダー干渉計
１０８光パルスの到着時間を分析する光学系
１０９光子検出器
１１０ＢＢ８４プロトコルに必要な４状態
１１１５０／５０カップラー
２０１非対称マッハツェンダー干渉計
２０２５０／５０カップラー
２０３光パルスの到着時間を分析する光学系

Claims

光パルスを発生するレーザー光源と、前記光パルスを受けてコヒーレントな２連光パルスを生成する光遅延回路と、前記光遅延回路からの光路を２つに分岐する第１のカップラーと、前記第１のカップラーの各出力ポートに１つずつ接続された第１、第２の位相変調器と、前記第１、第２の位相変調器の出力を１つの光路に結合する第２のカップラーとを有し、前記第１の位相変調器では入射する光パルスに｛０°、９０°｝の位相変調を施し、第２の位相変調器では入射する光パルスに｛０°、１８０°｝の位相変調を施すことにより符号化を行う量子鍵配布システム用の送信装置と組み合わせて用いられる受信装置であって、
前記送信装置からの光パルスを受光してその位相差を分析する光遅延回路と、前記光パルスの到着時間を分析する光学系とを備え、
前記送信装置からの光パルスをカップラーで２つに分岐し、分岐した一方の光パルスを該受信装置側の前記光遅延回路としての非対称マッハツェンダー干渉計に、分岐した他方の光パルスを前記光学系にそれぞれ入射させることを特徴とする受信装置。
光パルスを発生するレーザー光源と、前記光パルスを受けてコヒーレントな２連光パルスを生成する光遅延回路と、前記光遅延回路からの光路を２つに分岐する第１のカップラーと、前記第１のカップラーの各出力ポートに１つずつ接続された第１、第２の位相変調器と、前記第１、第２の位相変調器の出力を１つの光路に結合する第２のカップラーとを有し、前記第１の位相変調器では入射する光パルスに｛０°、９０°｝の位相変調を施し、第２の位相変調器では入射する光パルスに｛０°、１８０°｝の位相変調を施すことにより符号化を行う量子鍵配布システム用の送信装置と組み合わせて用いられる受信装置であって、
前記送信装置からの光パルスを受光してその位相差を分析する光遅延回路と、前記光パルスの到着時間を分析する光学系とを備え、
前記送信装置からの光パルスを該受信装置側の前記光遅延回路としての非対称マッハツェンダー干渉計に入射させ、該非対称マッハツェンダー干渉計の内部に分岐用のカップラーを接続して分岐した光パルスを前記光学系に入射させることを特徴とする受信装置。
請求項１に記載の送信装置及び受信装置を含むことを特徴とする量子鍵配布システム。
請求項２に記載の送信装置及び受信装置を含むことを特徴とする量子鍵配布システム。
前記送信装置は、
並列接続された前記第１、第２の位相変調器を用い、分岐された２連光パルスの各光パルスに個別に変調を施すことにより、
前記第１の位相変調器は分岐された２連光パルスのそれぞれに第１位相シフト量の変調を行い、前記第２の位相変調器は分岐された２連光パルスの一方のパルスに第１位相シフト量の変調を行い、他方のパルスに第１位相シフト量よりπ大きい変調を行うことで第１の状態を生成し、あるいは、
前記第１の位相変調器は分岐された２連光パルスのそれぞれに第２位相シフト量の変調を行い、前記第２の位相変調器は分岐された２連光パルスの一方のパルスに第２位相シフト量よりπ大きい変調を行い、他方のパルスに第２位相シフト量の変調を行うことで第２の状態を生成し、または
前記第１の位相変調器は分岐された２連光パルスのそれぞれに第３位相シフト量の変調を行い、前記第２の位相変調器は、分岐された２連光パルスの一方のパルスに第３位相シフト量よりπ／２小さい変調を行い、他方のパルスに第３位相シフト量よりπ／２大きい変調を行うことで第３の状態を生成し、もしくは
前記第１の位相変調器は分岐された２連光パルスのそれぞれに第４位相シフト量の変調を行い、前記第２の位相変調器は、分岐された２連光パルスの一方のパルスに第４位相シフト量よりπ／２大きい変調を行い、他方のパルスに第４位相シフト量よりπ／２小さい変調を行うことで第４の状態を生成することを特徴とする請求項３又は４に記載の量子鍵配布システム。
前記送信装置における前記光遅延回路として非対称マッハツェンダー干渉計を有することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の量子鍵配布システム。