JP7775157B2 - Ｑｋｄシステム、監視装置、多重化装置及びプログラム - Google Patents

Description

本発明の実施形態はＱＫＤシステム、監視装置、多重化装置及びプログラムに関する。

量子鍵配送技術（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ、以下ＱＫＤ）とは、光ファイバで接続された、単一光子を連続的に送信する送信装置と、単一光子を受信する受信装置との間で、安全に暗号鍵を共有する技術である。ＱＫＤにより共有される暗号鍵は、量子力学の原理に基づいて、盗聴されていないことが保証されている。共有された暗号鍵を用いて、ワンタイムパッドと呼ばれる暗号通信方式を利用して暗号データ通信されたデータは如何なる知識を有する盗聴者によっても解読できないことが情報理論によって保証されている。

特許第４７８４２０２号公報

しかしながら従来の技術では、限られた光ファイバの本数で光波長多重による暗号鍵の伝送速度を向上させながら、光ファイバに断線などの不具合が発生した際でも暗号鍵の伝送を継続させることが難しかった。

実施形態のＱＫＤシステムは、複数の送信装置と、複数の受信装置と、第１の多重化装置と、第２の多重化装置と、複数の光ファイバと、監視装置とを備える。複数の送信装置は、ＱＫＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）により共有される暗号鍵情報を含む複数の量子信号と、前記ＱＫＤの制御情報を含む複数の古典信号とを送信する。複数の受信装置は、前記複数の量子信号と、前記複数の古典信号とを受信する。第１の多重化装置は、前記複数の送信装置と接続される。第２の多重化装置は、前記複数の受信装置と接続される。複数の光ファイバは、前記第１の多重化装置と、前記第２の多重化装置との間を接続する。監視装置は、前記複数の光ファイバの伝送状態を監視する。前記複数の光ファイバは、前記複数の量子信号が波長多重された第１の光ファイバと、前記古典信号が波長多重された第２の光ファイバとを含む。前記監視装置は、監視部と制御部とを備える。監視部は、前記第１の光ファイバを流れる複数の量子信号の伝送状態と、前記第２の光ファイバを流れる複数の古典信号の伝送状態とを監視する。制御部は、前記監視部による監視結果に応じて、前記第１の光ファイバ又は前記第２の光ファイバを、前記複数の光ファイバから選択された別の光ファイバに切り替える指示を、前記第１の多重化装置及び前記第２の多重化装置の少なくとも一方に出す。

一般的なＱＫＤシステム１式の構成例を示す図。 複数のＱＫＤ装置によるＱＫＤシステムの構成例を示す図。 光波長多重技術を用いる場合の例１を示す図。 光波長多重技術を用いる場合の例２を示す図。 第１実施形態のＱＫＤシステムの装置構成の例を示す図。 第１実施形態の多重化装置の機能構成の例を示す図。 第１実施形態の光ファイバの切替制御の例を説明するための図。 第１実施形態の多重化制御の例を説明するための図。 第１実施形態の品質劣化調査制御の例を説明するための図。 第２実施形態の同期パラメータ初期化制御の例を説明するための図。 第３実施形態の光源波長の切替制御の例を説明するための図。 第１乃至第３実施形態の多重化装置及び監視装置のハードウェア構成の例を示す図。

以下に添付図面を参照して、ＱＫＤシステム、監視装置、多重化装置及びプログラムの実施形態を詳細に説明する。

以下、ＱＫＤ（量子鍵配送）技術を利用した暗号鍵交換装置をＱＫＤ装置という。また、複数のＱＫＤ装置により構成される暗号鍵交換システムをＱＫＤシステムという。まず、一般的なＱＫＤシステムの例について説明する。

図１は一般的なＱＫＤシステム１式の構成例を示す図である。一般的なＱＫＤシステム１００は、送信装置１、受信装置２、並びに、２本の光ファイバ１０１及び１０２を備える。

送信装置１は、送信側のＱＫＤ装置である。送信装置１は、光子を生成し、その光子に、０又は１のビット情報を示す暗号鍵情報をエンコードし、暗号鍵情報がエンコードされた光子を受信装置２に送信する。

受信装置２は、受信側のＱＫＤ装置である。受信装置２は、送信装置１から送られてきた光子を受信し、暗号鍵情報をデコードする。

光ファイバ１０１は、暗号鍵情報がエンコードされた量子信号を伝送する量子通信路として使用される。

光ファイバ１０２は、ＱＫＤの制御情報を含む古典信号を伝送する古典通信路として使用される。例えば古典通信路は、送信装置１で使用される光子の送信器と、受信装置２で使用される光子の受信器との間の同期信号や、データ通信などの光信号の伝送に使用される。

古典通信路中の光信号に比べ量子通信路中の量子信号は非常に微弱なため、通常、量子通信路及び古典通信路には物理的に別の光ファイバ１０１及び１０２が使用される。また、ＱＫＤ装置専用の信号を伝送するため、量子通信路の光ファイバ１０１、及び、古典通信路の光ファイバ１０２はダークファイバである必要がある。

図２は複数のＱＫＤ装置によるＱＫＤシステム１００－２の構成例を示す図である。ＱＫＤシステム１００－２では、共有される暗号鍵の伝送速度を向上させるために、ＱＫＤ装置の台数を増やして、ＱＫＤシステム１００－２全体での暗号鍵の伝送速度を向上させている。図２に示すように、例えば３式のＱＫＤシステムを使用した際の暗号鍵の伝送速度は、１式のＱＫＤシステム１００（図１）を用いた時に比べ３倍になる。ただし、この場合、必要になる光ファイバの本数が増える。ＱＫＤシステムを社会実装する上で必要になる光ファイバの本数が増えるのは実用的ではない。

そこで、光波長多重技術を用いて、量子通信路と古典通信路とを１本の光ファイバで実現する方法がある（特許文献１）。量子通信路の光信号の波長と古典通信路の光信号の波長をずらすことで、同一の光ファイバを伝送させた場合でもお互いが干渉せずにＱＫＤによる暗号鍵の伝送が可能となる。この技術によりＱＫＤシステム１式に対して必要な光ファイバは１本になる。

図３は光波長多重技術を用いる場合の例１を示す図である。図３のＱＫＤシステム１００－３では、通常のＱＫＤ装置（送信装置１及び受信装置２）と、量子通信路として使用される光ファイバ１０１と、古典通信路として使用される光ファイバ１０２とに加え、光信号を波長多重させる多重化装置３ａ及び３ｂと光ファイバ１０３が使用される。

送信装置１と多重化装置３ａ、及び、受信装置２と多重化装置３ｂは、例えば同じラックなどに配置され、短い光ファイバで接続される。多重化装置３ａ及び３ｂの間は通常のＱＫＤ装置と同様に通信する距離に応じた光ファイバ１０３で接続される。

ただし、図３の例１では、強度の異なる光信号の波長多重を実施する必要があり、技術的に困難である。そこで、図４に示すように、量子通信路の光ファイバ１０１ａ～１０１ｃを１本の光ファイバ１０１ｄに波長多重し、古典通信路の光ファイバ１０２ａ～１０２ｃを１本の光ファイバ１０２ｄに波長多重する手法も考えられる。

図４は光波長多重技術を用いる場合の例２を示す図である。図４のＱＫＤシステム１００－４では、多重化装置４ａ及び４ｂによって、量子通信路に使用される光ファイバ１０１ａ～１０１ｃの光信号の波長多重が行われ、多重化装置４ｃ及び４ｄによって、古典通信路に使用される光ファイバ１０２ａ～１０２ｃの光信号の波長多重が行われる。

図４のＱＫＤシステム１００－４のように同じ強度の光信号の波長多重を行うことは、図３のＱＫＤシステム１００－３のように異なる強度の光信号を波長多重する場合に比べて容易である。図３に示す波長多重方式では、暗号鍵の伝送速度を向上させるために使用するＱＫＤ装置の台数を増やすと、その台数に比例して必要な光ファイバ１０３の本数も増える。一方、図４に示す波長多重方式であれば、波長多重するＱＫＤ装置の台数が増加しても必要な光ファイバの本数は２本のままであり、実装コストが抑えられる。図４に示す波長多重方式の欠点としては、１本の光ファイバが断線してしまうと、複数のＱＫＤ装置全てが動作しなくなる。すなわち、多重化装置間の光ファイバが１本でも断線した場合、ＱＫＤ装置による暗号鍵の伝送が停止してしまう。

（第１実施形態）
以下、限られた光ファイバの本数で光波長多重による暗号鍵の伝送速度を向上させながら、光ファイバに断線などの不具合が発生した際でも暗号鍵の伝送を継続させることができるＱＫＤシステムの実施形態について説明する。

［装置構成の例］
図５は第１実施形態のＱＫＤシステム２００の装置構成の例を示す図である。第１実施形態のＱＫＤシステム２００は、送信装置１ａ～１ｃ、受信装置２ａ～２ｃ、多重化装置５ａ及び５ｂ、並びに、監視装置６を備える。なお、送信装置１ａ～１ｃ及び受信装置２ａ～２ｃの台数は、それぞれ３台に限らず任意でよい。多重化装置５ａ及び５ｂは、３本の光ファイバ１０３ａ～１０３ｃにより接続される。以下、光ファイバ１０３ａ～１０３ｃを区別しない場合は、単に光ファイバ１０３という。

多重化装置５ａは、送信側に設置され、複数の送信装置１ａ～１ｃの量子通信路及び古典通信路に接続される。多重化装置５ｂは、受信側に設置され、複数の受信装置２ａ～２ｃの量子通信路及び古典通信路に接続される。多重化装置５ａ及び５ｂは複数の量子通信路を１本の光ファイバ１０３に、複数の古典通信路を１本の光ファイバ１０３に多重化する。

多重化装置５ａ及び５ｂの間は３本以上の光ファイバ１０３（図５の例では、光ファイバ１０３ａ～１０３ｃ）で接続され、どの光ファイバ１０３を使ってＱＫＤによる暗号鍵伝送を実施するかをスイッチする機能を持つ。すなわち、多重化装置５ａ及び５ｂは、光波長多重の機能に加えて、量子通信路及び古典通信路に使用される光ファイバ１０３ａ～１０３ｃを切り替える機能を持つ。多重化装置５ａ及び５ｂは、多重化装置５ａ及び５ｂ間の複数の光ファイバ１０３ａ～１０３ｃを切り替えることにより、量子通信路として使用される光ファイバ１０３、及び、古典通信路として使用される光ファイバ１０３を決定する。

通常は、２本の光ファイバ１０３を使用してＱＫＤによる暗号鍵の伝送を行い、予備として未使用の光ファイバ１０３も確保しておく場合、多重化装置５ａ及び５ｂ間の光ファイバ１０３は、２本より多い本数である必要がある。例えば、図５の例では、光ファイバ１０３ａを量子通信路として使用し、光ファイバ１０３ｂを古典通信路として使用し、光ファイバ１０３ｃは予備として確保しておく。

監視装置６は、監視部６１及び制御部６２を備える。

監視部６１は、各ＱＫＤ装置（送信装置１ａ～１ｃ及び受信装置２ａ～２ｃ）の暗号鍵の伝送状況を監視する。例えば、監視部６１は、複数の受信装置２ａ～２ｃから、量子信号に基づく暗号鍵生成速度、及び、量子信号の誤り率の少なくとも一方を受信することによって、光ファイバ１０３ａを流れる複数の量子信号の伝送状態を監視する。例えば、光ファイバ１０３ａの断線などによって、監視部６１は、各ＱＫＤ装置における暗号鍵の伝送停止を検知した場合、暗号鍵の伝送停止を制御部６２に通知する。

制御部６２は、監視部６１による各ＱＫＤ装置の暗号鍵の伝送状況に応じて、多重化装置５ａ及び５ｂにより使用される光ファイバ１０３を切り替える。例えば、制御部６２は、監視部６１から暗号鍵の伝送停止の通知を受信すると、量子通信路として使用されていた光ファイバ１０３ａを光ファイバ１０３ｃに切り替える指示を、多重化装置５ａ及び５ｂに送信する。

なお、図５の例では、３式のＱＫＤシステムを光波長多重した際の構成を示しているが、多重化させるＱＫＤシステムの数は２式以上で良い。

以下、多重化装置５ａ及び５ｂを区別しない場合、単に多重化装置５という。

［多重化装置の機能構成の例］
図６は第１実施形態の多重化装置５の機能構成の例を示す図である。第１実施形態の多重化装置５は、多重化部５１及び切替制御部５２を備える。

多重化部５１は、複数のＱＫＤ装置（送信装置１ａ～１ｃ）から、ＱＫＤにより共有される暗号鍵情報を含む複数の量子信号と、ＱＫＤの制御情報を含む複数の古典信号とを受信する。そして、多重化部５１は、複数の光ファイバ１０３から選択された光ファイバ１０３ａ（第１の光ファイバ）を使用して、複数の量子信号を波長多重し、複数の光ファイバ１０３から選択された光ファイバ１０３ｂ（第２の光ファイバ）を使用して、複数の量子信号を波長多重する。

切替制御部５２は、監視装置６からの切替指示に応じて、光ファイバ１０３ａ（第１の光ファイバ）又は光ファイバ１０３ｂ（第２の光ファイバ）を、複数の光ファイバ１０３から選択された別の光ファイバ（図５の例では、光ファイバ１０３ｃ）に切り替える。

図７は第１実施形態の光ファイバ１０３ａ～１０３ｃの切替制御の例を説明するための図である。３式のＱＫＤシステムの量子通信路（光ファイバ１０１ａ～１０１ｃ）が光ファイバ１０３ａに多重化されていて、古典通信路（光ファイバ１０２ａ～１０２ｃ）が光ファイバ１０３ｂに多重化されていて、光ファイバ１０３ｃが未使用であるとする。

何らかの原因で光ファイバ１０３ａが断線、もしくは盗聴を受けているなどの理由で暗号鍵の伝送が継続できない状態になったとする（ステップＳ１）。すると監視部６１が、各ＱＫＤ装置（送信装置１ａ～１ｃ及び受信装置２ａ～２ｃ）の暗号鍵の伝送状況が、伝送停止状態になったことを検知し（ステップＳ２）、検知結果を制御部６２に通知する。

この時、監視部６１は、暗号鍵の伝送停止状態だけでなく、検知結果に関連するＱＫＤ装置の動作情報も通知してもよい。例えば、ＱＫＤ装置の動作情報は、光子検出数、ＱＢＥＲ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ）、及び、暗号鍵伝送速度（または暗号鍵共有速度、または暗号鍵生成速度という。）等である。ＱＢＥＲ（量子信号の誤り率）及び暗号鍵伝送速度の関係として、ＱＢＥＲが上がると、暗号鍵伝送速度は低下する関係がある。

制御部６２は、監視部６１からの通知を元に、量子通信路を光ファイバ１０３ａではなく、未使用の光ファイバ１０３ｃに切り替える指示を多重化装置５ａ及び５ｂの少なくとも一方に出す（ステップＳ３）。

多重化装置５ａ及び５ｂの切替制御部５２は、制御部６２から指示を受け付けると、量子通信路を光ファイバ１０３ａではなく、未使用の光ファイバ１０３ｃに切り替える。これにより、暗号鍵の伝送が継続される（ステップＳ４）。

なお、制御部６２は、古典通信路の切り替えの指示も、上述の量子通信路の場合と同様にして出すことができ、多重化装置５ａ及び５ｂも、上述の量子通信路の場合と同様にして、古典通信路を切り替えることができる。

図７に示す光ファイバ１０３の切替制御によれば、光ファイバ１０３に不具合があった際も暗号鍵の伝送を継続することができ、冗長性が向上する。なお、複数の光ファイバ１０３は、３本以上あればよく、少なくとも１本の未使用の光ファイバ１０３を含んでいればよい。

図８は第１実施形態の多重化制御の例を説明するための図である。同じ光強度である量子信号を光波長多重することで量子信号の誤り率（ＱＢＥＲ）の悪化を抑え、暗号鍵伝送速度の悪化を抑えることができるが、それでも光波長多重することによる暗号鍵伝送速度の劣化は考えられる。光波長多重の数を減らすことでその劣化を抑えることができる。

３式のＱＫＤシステムの量子通信路（光ファイバ１０１ａ～１０１ｃ）が光ファイバ１０３ａに多重化されていて、古典通信路（光ファイバ１０２ａ～１０２ｃ）が光ファイバ１０３ｂに多重化されていて、光ファイバ１０３ｃが未使用であるとする。

監視部６１は、光ファイバ１０３ａ～１０３ｃの状態（例えば、伝送状態及び使用有無の状態等）と、暗号鍵の伝送状態とを監視する（ステップＳ１１）。

制御部６２は、監視部６１で監視されている暗号鍵の伝送速度が正常な状態であり、かつ、未使用の光ファイバ１０３（図８の例では、光ファイバ１０３ｃ）があれば、監視部６１からの各ＱＫＤ装置（送信装置１ａ～１ｃ及び受信装置２ａ～２ｃ）の動作状態を元に、多重化制御を行う。具体的には、制御部６２は、光ファイバ１０３ａ～１０３ｃの伝送状態が正常である場合、波長多重された複数の量子信号の一部を解除し、解除された量子信号の伝送を、未使用の光ファイバ１０３に切り替える指示を、多重化装置５ａ及び５ｂの少なくとも一方に出す。図８の例では、制御部６２は、光ファイバ１０３ａの波長多重を一部解除し、光ファイバ１０１ｃを光ファイバ１０３ｃに割り当て、光ファイバ１０１ａ及び１０１ｂを光ファイバ１０３ａで波長多重するように割り当てる指示を、多重化装置５ａ及び５ｂの少なくとも一方に出す（ステップＳ１２）。

多重化装置５ａ及び５ｂの多重化部５１は、制御部６２からの指示に基づいて量子通信路の割り当てを切り替える（ステップＳ１３）。こうすることで光ファイバ１０３ａの光波長多重の数は減少し、光ファイバ１０１ａ及び１０１ｂの暗号鍵伝送速度の劣化を抑えることができる。また、光ファイバ１０３ｃは光ファイバ１０１ｃのみに使用され、光ファイバ１０１ｃでは光波長多重も行われないので、光ファイバ１０１ｃの暗号鍵伝送速度の劣化も抑えられる。このように光波長多重の一部を解除することで、ＱＫＤシステム２００全体として暗号鍵伝送速度が向上する。

図９は第１実施形態の品質劣化調査制御の例を説明するための図である。図９の例では、性能劣化の原因調査を行う場合の制御について説明する。

３式のＱＫＤシステムの量子通信路（光ファイバ１０１ａ～１０１ｃ）が光ファイバ１０３ａに多重化されていて、古典通信路（光ファイバ１０２ａ～１０２ｃ）が光ファイバ１０３ｂに多重化されていて、光ファイバ１０３ｃが未使用であるとする。

まず、監視部６１が、暗号鍵生成速度の劣化を検知し（ステップＳ２１）、暗号鍵生成速度の劣化を示す検知結果を制御部６２に通知する。例えば、監視部６１は、暗号鍵生成速度が生成閾値よりも小さい場合、暗号鍵生成速度の劣化を示す検知結果を制御部６２に通知する。なお、監視部６１は、量子信号の誤り率が誤り率閾値よりも大きい場合に、量子信号の誤り率の劣化を示す検知結果を制御部６２に通知してもよい。

制御部６２は、監視部６１から通知を受け付けると、光ファイバ１０３ａ～１０３ｃを入れ替える指示を多重化装置５ａ及び５ｂの少なくとも一方に出す（ステップＳ２２）。例えば、制御部６２は、光ファイバ１０３ａに波長多重されていた量子通信路（光ファイバ１０１ａ～１０１ｃ）と、光ファイバ１０３ｂに波長多重されていた古典通信路（光ファイバ１０２ａ～１０２ｃ）と、を入れ替える指示を多重化装置５ａ及び５ｂの少なくとも一方に出す。

多重化装置５ａ及び５ｂの切替制御部５２は、制御部６２からの指示に従って、光ファイバ１０３ａに波長多重されていた量子通信路（光ファイバ１０１ａ～１０１ｃ）を光ファイバ１０３ｂに切り替え、光ファイバ１０３ｂに波長多重されていた古典通信路（光ファイバ１０２ａ～１０２ｃ）を光ファイバ１０３ａに切り替える（ステップＳ２３）。

監視部６１は、入れ替え後に測定された暗号鍵伝送速度を受信し、入れ替え前後の暗号鍵伝送速度を比較する（ステップＳ２４）。監視部６１は、暗号鍵伝送速度が向上していれば、ステップＳ２１で暗号鍵生成速度の劣化が検知された光ファイバ１０３の品質劣化を特定する。

以上、説明したように、第１実施形態のＱＫＤシステム２００では、複数の送信装置１ａ～１ｃは、ＱＫＤにより共有される暗号鍵情報を含む複数の量子信号と、ＱＫＤの制御情報を含む複数の古典信号とを送信する。複数の受信装置２ａ～２ｃは、複数の量子信号と、複数の古典信号とを受信する。多重化装置５ａ（第１の多重化装置）は、複数の送信装置１ａ～１ｃと接続される。多重化装置５ｂ（第２の多重化装置）は、複数の受信装置（２ａ～２ｃ）と接続される。複数の光ファイバ１０３ａ～１０３ｃは、第１の多重化装置と、第２の多重化装置との間を接続する。監視装置６は、複数の光ファイバ１０３ａ～１０３ｃの伝送状態を監視する。複数の光ファイバ１０３は、複数の量子信号が波長多重された光ファイバ１０３ａ（第１の光ファイバ）と、古典信号が波長多重された光ファイバ１０３ｂ（第２の光ファイバ）とを含む。監視部６１は、第１の光ファイバを流れる複数の量子信号の伝送状態と、第２の光ファイバを流れる複数の古典信号の伝送状態とを監視する。制御部６２は、監視部６１による監視結果に応じて、第１の光ファイバ又は前記第２の光ファイバを、複数の光ファイバ１０３から選択された別の光ファイバに切り替える指示を、第１の多重化装置及び第２の多重化装置の少なくとも一方に出す。

これにより第１実施形態のＱＫＤシステム２００によれば、限られた光ファイバ１０３の本数で光波長多重による暗号鍵の伝送速度を向上させながら、光ファイバ１０３に断線などの不具合が発生した際でも暗号鍵の伝送を継続させることができる。

（第２実施形態）
次に第２実施形態について説明する。第２実施形態の説明では、第１実施形態と同様の説明については省略し、第１実施形態と異なる箇所について説明する。第２実施形態では、監視装置６が、同期パラメータ初期化制御を行う例について説明する。

図１０は第２実施形態の同期パラメータ初期化制御の例を説明するための図である。多重化装置５ａ及び５ｂ間で使用される光ファイバ１０３の切り替えをしたときに、切り替え前後で光ファイバ１０３の長さなどの特性が変化した場合、送信装置１と受信装置２との間の送受信の同期に使用される同期パラメータの初期化が必要になる場合がある。

図１０の例では、光ファイバ１０３ｃの長さは、光ファイバ１０３ａの長さよりも長い。例えば、上述の図７で説明した切替制御によって、量子通信路（光ファイバ１０１ａ～１０１ｃ）の多重化に使用されていた光ファイバ１０３ａが、未使用の光ファイバ１０３ｃに切り替えられたとする（ステップＳ３１）。このような場合、制御部６２は、例えば送信装置１ａ～１ｃに同期パラメータの初期化の指示を出す（ステップＳ３２）。

なお、ステップＳ３２の指示は、受信装置２ａ～２ｃへ出されてもよいし、送信装置１ａ～１ｃ及び受信装置２ａ～２ｃの両方に出されてもよい。

以上、説明したように、第２実施形態のＱＫＤシステム２００－２では、制御部６２が、切り替え前の光ファイバ１０３の特性が、切り替え後の光ファイバ１０３の特性と異なる場合、複数の送信装置１ａ～１ｃと複数の受信装置２ａ～２ｃとの間の送受信の同期に使用される同期パラメータを初期化する指示を、複数の送信装置１ａ～１ｃ、及び、複数の受信装置２ａ～２ｃの少なくとも一方に出す。

これにより第２実施形態のＱＫＤシステム２００－２によれば、切り替え前後で光ファイバ１０３の長さなどの特性が変化した場合であっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
次に第３実施形態について説明する。第３実施形態の説明では、第１実施形態と同様の説明については省略し、第１実施形態と異なる箇所について説明する。第３実施形態では、監視装置６が、光源波長の切替制御を行う例について説明する。

一般には、量子信号の波長は１通りしかなく、古典信号の波長も１通りしかない。多重化装置５ａ及び５ｂが、複数の送信装置１ａ～１ｃから送信される量子信号（量子通信路を流れる信号）、及び、古典信号（古典通信路を流れる信号）を多重化するためには、予め各送信装置１ａ～１ｃの信号の波長が異なるように設計、製造されている必要がある。

第３実施形態の送信装置１ａ～１ｃには、波長の異なる量子信号を生成する複数の量子信号光源、及び、波長の異なる古典信号を生成する複数の古典信号光源が実装されている。以下、多重化で組み合わせる送信装置１ａ～１ｃに応じて光源の波長を切り替える制御方法について説明する。

図１１は第３実施形態の光源波長の切替制御の例を説明するための図である。多重化装置５ａ及び５ｂにて、各ＱＫＤ装置（送信装置１ａ～１ｃ及び受信装置２ａ～２ｃ）の量子通信路及び古典通信路を光波長多重するためには、各送信装置で生成される量子信号どうし、古典信号どうしの波長が異なっている必要がある。

第３実施形態の送信装置１ａは、波長の異なる３通りの量子信号（量子１―１～１－３）と、波長の異なる３通りの古典信号（古典１―１～１－３）とを生成できる。同様に、送信装置１ｂは、波長の異なる３通りの量子信号（量子２―１～２－３）と、波長の異なる３通りの古典信号（古典２―１～２－３）とを生成できる。同様に、送信装置１ｃは、波長の異なる３通りの量子信号（量子３―１～３－３）と、波長の異なる３通りの古典信号（古典３―１～３－３）とを生成できる。

監視部６１は、各送信装置１ａ～１ｃから、量子信号の光源の波長情報、及び、古典信号の光源の波長情報を収集する（ステップＳ４１）。

制御部６２は、ステップＳ４１で収集された波長情報に基づき、各送信装置１ａ～１ｃに、どの波長の光源を使用するか指示を出す（ステップＳ４２）。

各送信装置１ａ～１ｃは、ステップＳ４２の指示に基づき、各送信装置１ａ～１ｃで異なる量子信号光源、及び、各送信装置１ａ～１ｃで異なる古典信号光源を選択し、選択された光源を使用して暗号鍵伝送を開始する。

以上、説明したように、第３実施形態のＱＫＤシステム２００－３では、制御部６２が、各送信装置１ａ～１ｃの量子信号どうし、古典信号どうしの波長が異なるように、各送信装置１ａ～１ｃに指示をする。例えば、量子１－１に１５５０．１２ｎｍ、量子２－２に１５５０．９２ｎｍ、量子３－３に１５４９．３２ｎｍの波長の光源を割り当て、送信装置１ａで量子１－１、送信装置１ｂで量子２－２、送信装置１ｃで量子３－３を使用することで、異なる波長の量子信号を生成でき、波長多重を行うことができる。これにより第３実施形態のＱＫＤシステム２００－３によれば、多重化装置５ａ及び５ｂにて問題なく波長多重を行うことができる。

最後に、第１乃至第３実施形態の多重化装置５及び監視装置６のハードウェア構成の例について説明する。

［ハードウェア構成の例］
図１２は第１乃至第３実施形態の多重化装置５及び監視装置６のハードウェア構成の例を示す図である。第１乃至第３実施形態の多重化装置５及び監視装置６は、プロセッサ２０１、主記憶装置２０２、補助記憶装置２０３、表示装置２０４、入力装置２０５及び通信装置２０６を備える。プロセッサ２０１、主記憶装置２０２、補助記憶装置２０３、表示装置２０４、入力装置２０５及び通信装置２０６は、バス２１０を介して接続されている。

なお、多重化装置５及び監視装置６は、上記構成の一部が備えられていなくてもよい。例えば、多重化装置５及び監視装置６が、外部の装置の入力機能及び表示機能を利用可能な場合、多重化装置５及び監視装置６に表示装置２０４及び入力装置２０５が備えられていなくてもよい。

プロセッサ２０１は、補助記憶装置２０３から主記憶装置２０２に読み出されたプログラムを実行する。主記憶装置２０２は、ＲＯＭ及びＲＡＭ等のメモリである。補助記憶装置２０３は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）及びメモリカード等である。

表示装置２０４は、例えば液晶ディスプレイ等である。入力装置２０５は、多重化装置５及び監視装置６を操作するためのインタフェースである。なお、表示装置２０４及び入力装置２０５は、表示機能と入力機能とを有するタッチパネル等により実現されていてもよい。通信装置２０６は、他の装置と通信するためのインタフェースである。

例えば、多重化装置５及び監視装置６で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルで、メモリカード、ハードディスク、ＣＤ－ＲＷ、ＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、ＤＶＤ－ＲＡＭ及びＤＶＤ－Ｒ等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記録されてコンピュータ・プログラム・プロダクトとして提供される。

また例えば、多重化装置５及び監視装置６で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。

また例えば、多重化装置５及び監視装置６で実行されるプログラムをダウンロードさせずにインターネット等のネットワーク経由で提供するように構成してもよい。具体的には、例えばＡＳＰ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｐｒｏｖｉｄｅｒ）型のクラウドサービスによって、多重化装置５の制御処理、及び、監視装置６の制御処理を実行させる構成としてもよい。

また例えば、多重化装置５及び監視装置６のプログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

多重化装置５及び監視装置６で実行されるプログラムは、上述の機能構成のうち、プログラムによっても実現可能な機能を含むモジュール構成となっている。当該各機能は、実際のハードウェアとしては、プロセッサ２０１が記憶媒体からプログラムを読み出して実行することにより、上記各機能ブロックが主記憶装置２０２上にロードされる。すなわち上記各機能ブロックは主記憶装置２０２上に生成される。

なお上述した各機能の一部又は全部をソフトウェアにより実現せずに、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアにより実現してもよい。

また複数のプロセッサ２０１を用いて各機能を実現してもよく、その場合、各プロセッサ２０１は、各機能のうち１つを実現してもよいし、各機能のうち２以上を実現してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 送信装置
２ 受信装置
３ 多重化装置
４ 多重化装置
５ 多重化装置
６ 監視装置
５１ 多重化部
５２ 切替制御部
６１ 監視部
６２ 制御部
１００ ＱＫＤシステム
１０１ 光ファイバ
１０２ 光ファイバ
１０３ 光ファイバ
２０１ プロセッサ
２０２ 主記憶装置
２０３ 補助記憶装置
２０４ 表示装置
２０５ 入力装置
２０６ 通信装置
２１０ バス

Claims (10)

1. ＱＫＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）により共有される暗号鍵情報を含む複数の量子信号と、前記ＱＫＤの制御情報を含む複数の古典信号とを送信する複数の送信装置と、
   前記複数の量子信号と、前記複数の古典信号とを受信する複数の受信装置と、
   前記複数の送信装置と接続された第１の多重化装置と、
   前記複数の受信装置と接続された第２の多重化装置と、
   前記第１の多重化装置と、前記第２の多重化装置との間を接続する複数の光ファイバと、
   前記複数の光ファイバの伝送状態を監視する監視装置と、を備え、
   前記複数の光ファイバは、前記複数の量子信号が波長多重された第１の光ファイバと、前記古典信号が波長多重された第２の光ファイバとを含み、
   前記監視装置は、
   前記第１の光ファイバを流れる複数の量子信号の伝送状態と、前記第２の光ファイバを流れる複数の古典信号の伝送状態とを監視する監視部と、
   前記監視部による監視結果に応じて、前記第１の光ファイバ又は前記第２の光ファイバを、前記複数の光ファイバから選択された別の光ファイバに切り替える指示を、前記第１の多重化装置及び前記第２の多重化装置の少なくとも一方に出す制御部と、を備え、
   前記複数の光ファイバは、３本以上であり、少なくとも１本の未使用の光ファイバを含み、
   前記制御部は、前記監視部による監視結果に応じて、前記第１の光ファイバ又は前記第２の光ファイバを、前記複数の光ファイバから選択された未使用の光ファイバに切り替える指示を、前記第１の多重化装置及び前記第２の多重化装置の少なくとも一方に出す、
   ＱＫＤシステム。
2. 前記監視部は、前記複数の受信装置から、量子信号に基づく暗号鍵生成速度、及び、前記量子信号の誤り率の少なくとも一方を受信することによって、前記第１の光ファイバを流れる複数の量子信号の伝送状態を監視する、
   請求項１に記載のＱＫＤシステム。
3. 前記制御部は、前記暗号鍵生成速度が生成閾値よりも小さいこと、及び、前記量子信号の誤り率が誤り率閾値よりも大きいこと、の少なくとも一方が検知された場合、前記第１の光ファイバと、前記第２の光ファイバとを入れ替える指示を、前記第１の多重化装置及び前記第２の多重化装置の少なくとも一方に出し、
   前記監視部は、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバの入れ替え後に、前記暗号鍵生成速度が向上した場合、前記第１の光ファイバの品質劣化を特定する、
   請求項２に記載のＱＫＤシステム。
4. 前記制御部は、前記複数の光ファイバの伝送状態が正常である場合、前記第１の光ファイバに波長多重された複数の量子信号の一部を解除し、解除された量子信号の伝送を、前記未使用の光ファイバに切り替える指示を、前記第１の多重化装置及び前記第２の多重化装置の少なくとも一方に出す、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＱＫＤシステム。
5. 前記制御部は、前記第１の光ファイバを流れる複数の量子信号の伝送が停止した場合、前記第１の光ファイバを、前記複数の光ファイバから選択された別の光ファイバに切り替える指示を、前記第１の多重化装置及び前記第２の多重化装置の少なくとも一方に出す、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＱＫＤシステム。
6. 前記制御部は、切り替え前の光ファイバの特性が、切り替え後の光ファイバの特性と異なる場合、前記複数の送信装置と前記複数の受信装置との間の送受信の同期に使用される同期パラメータを初期化する指示を、前記複数の送信装置、及び、前記複数の受信装置の少なくとも一方に出す、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＱＫＤシステム。
7. 前記複数の送信装置は、
   波長の異なる量子信号を生成する複数の量子信号光源と、
   波長の異なる古典信号を生成する複数の古典信号光源と、を備え、
   前記制御部は、前記第１の光ファイバに波形多重される複数の量子信号それぞれの波長が異なるように、前記量子信号光源を使用する指示を前記複数の送信装置に出し、前記第２の光ファイバに波形多重される複数の古典信号それぞれの波長が異なるように、前記古典信号光源を使用する指示を前記複数の送信装置に出す、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＱＫＤシステム。
8. 複数の送信装置と接続された第１の多重化装置と、複数の受信装置と接続された第２の多重化装置との間を接続する複数の光ファイバの伝送状態を監視する監視装置であって、
   前記複数の光ファイバは、ＱＫＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）により共有される暗号鍵情報を含む複数の量子信号が波長多重された第１の光ファイバと、前記ＱＫＤの制御情報を含む複数の古典信号が波長多重された第２の光ファイバとを含み、
   前記第１の光ファイバを流れる複数の量子信号の伝送状態と、前記第２の光ファイバを流れる複数の古典信号の伝送状態とを監視する監視部と、
   前記監視部による監視結果に応じて、前記第１の光ファイバ又は前記第２の光ファイバを、前記複数の光ファイバから選択された別の光ファイバに切り替える指示を、前記第１の多重化装置及び前記第２の多重化装置の少なくとも一方に出す制御部と、を備え、
   前記複数の光ファイバは、３本以上であり、少なくとも１本の未使用の光ファイバを含み、
   前記制御部は、前記監視部による監視結果に応じて、前記第１の光ファイバ又は前記第２の光ファイバを、前記複数の光ファイバから選択された未使用の光ファイバに切り替える指示を、前記第１の多重化装置及び前記第２の多重化装置の少なくとも一方に出す、
   監視装置。
9. 対向の多重化装置と複数の光ファイバによって接続された多重化装置であって、
   複数のＱＫＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）装置から、ＱＫＤにより共有される暗号鍵情報を含む複数の量子信号と、前記ＱＫＤの制御情報を含む複数の古典信号とを受信すると、前記複数の光ファイバから選択された第１の光ファイバを使用して、前記複数の量子信号を波長多重し、前記複数の光ファイバから選択された第２の光ファイバを使用して、前記複数の量子信号を波長多重する多重化部と、
   監視装置からの切替指示に応じて、前記第１の光ファイバ又は前記第２の光ファイバを、前記複数の光ファイバから選択された別の光ファイバに切り替える切替制御部と、を備え、
   前記複数の光ファイバは、３本以上であり、少なくとも１本の未使用の光ファイバを含み、
   前記切替制御部は、前記監視装置からの切替指示に応じて、前記第１の光ファイバ又は前記第２の光ファイバを、前記複数の光ファイバから選択された未使用の光ファイバに切り替える、
   多重化装置。
10. 複数の送信装置と接続された第１の多重化装置と、複数の受信装置と接続された第２の多重化装置との間を接続する複数の光ファイバの伝送状態を監視する監視装置を機能させるためのプログラムであって、
    前記複数の光ファイバは、ＱＫＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）により共有される暗号鍵情報を含む複数の量子信号が波長多重された第１の光ファイバと、前記ＱＫＤの制御情報を含む複数の古典信号が波長多重された第２の光ファイバとを含み、
    前記第１の光ファイバを流れる複数の量子信号の伝送状態と、前記第２の光ファイバを流れる複数の古典信号の伝送状態とを監視する監視部と、
    前記監視部による監視結果に応じて、前記第１の光ファイバ又は前記第２の光ファイバを、前記複数の光ファイバから選択された別の光ファイバに切り替える指示を、前記第１の多重化装置及び前記第２の多重化装置の少なくとも一方に出す制御部、として機能させ、
    前記複数の光ファイバは、３本以上であり、少なくとも１本の未使用の光ファイバを含み、
    前記制御部は、前記監視部による監視結果に応じて、前記第１の光ファイバ又は前記第２の光ファイバを、前記複数の光ファイバから選択された未使用の光ファイバに切り替える指示を、前記第１の多重化装置及び前記第２の多重化装置の少なくとも一方に出す、
    プログラム。