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JP4591972B2 - Quantum key distribution system - Google Patents
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本発明は、量子暗号鍵配送システムに関し、より詳細には、位相変調した光パルス列の相対的位相差を利用して、安全な暗号鍵を供給する量子暗号鍵配送システムに関する。   The present invention relates to a quantum encryption key distribution system, and more particularly to a quantum encryption key distribution system that supplies a secure encryption key using a relative phase difference of a phase-modulated optical pulse train.

従来、暗号技術としては数式の数学的な計算困難性(例えば、解読のための計算に膨大な時間がかかる)を基礎にした暗号方式が使用されてきたが、最近では、光子1個レベルの光を用いることにより、物理的に安全性が保証された量子暗号通信の研究が進められている。   Conventionally, as a cryptographic technique, an encryption method based on mathematical calculation difficulty of a mathematical formula (for example, a long time is required for calculation for decryption) has been used, but recently, a single photon level is used. Research on quantum cryptography that uses light to guarantee physical security is ongoing.

量子暗号は、量子力学の理論を用いた暗号技術であって、盗聴しても内容が無意味なものになってしまい、かつ盗聴されたことが分かる究極の暗号技術として知られている。   Quantum cryptography is a cryptographic technique that uses the theory of quantum mechanics, and is known as the ultimate cryptographic technique in which the content becomes meaningless even if eavesdropping, and the eavesdropping is understood.

量子通信の分野では、互いに離れた地点に存在する2者間で暗号通信を行うための秘密鍵を供給するシステムが知られており、そのシステムは、量子鍵配送システムとも呼ばれている。   In the field of quantum communication, there is known a system that supplies a secret key for performing cryptographic communication between two parties present at points distant from each other, and this system is also called a quantum key distribution system.

量子鍵配送には、各種方式が存在するが、本明細書では従来技術として代表的な、「差動位相シフト量子鍵配送方式」(非特許文献1)について説明する。   There are various methods for quantum key distribution. In this specification, a “differential phase shift quantum key distribution method” (Non-Patent Document 1), which is a typical prior art, will be described.

図1は、従来技術のその差動位相シフト量子鍵配送システムの基本構成を示す。図1において、送信機100は、制御部(図示しない)と記憶手段(図示しない)と通信手段(図示しない)を有する。同様に、後述の受信機110も制御部(図示しない)と記憶手段(図示しない)と通信手段(図示しない)を有する。   FIG. 1 shows the basic configuration of the prior art differential phase shift quantum key distribution system. In FIG. 1, the transmitter 100 includes a control unit (not shown), storage means (not shown), and communication means (not shown). Similarly, the later-described receiver 110 also includes a control unit (not shown), storage means (not shown), and communication means (not shown).

送信機100は、自身が送出する光パルス列106の位相変調データを記憶手段(図示しない)に記憶するとともに、0またはπで任意にランダムに位相変調した一定間隔のコヒーレント光パルス列106を、パルス当り平均1光子未満(例えば、0.1光子/パルス)で光伝送路107に送出する。平均光子数1個未満という状態は、通常のレーザ光を大きく減衰させることにより実現することができる。   The transmitter 100 stores in the storage means (not shown) the phase modulation data of the optical pulse train 106 transmitted by itself, and at the same time the coherent optical pulse train 106 with a constant interval, which is arbitrarily phase-modulated with 0 or π, per pulse. It is transmitted to the optical transmission line 107 at an average of less than 1 photon (for example, 0.1 photon / pulse). The state where the average number of photons is less than 1 can be realized by greatly attenuating normal laser light.

このような光パルス列を受信機110で光子検出する場合は、あるパルスでは光子が検出され、あるパルスでは何も検出されないという検出結果となる。どのパルスで光子が検出されるかは、測定するまで不確定である。   When such a light pulse train is detected by the receiver 110, the detection result is that a photon is detected in a certain pulse and nothing is detected in a certain pulse. The pulse at which a photon is detected is uncertain until it is measured.

図1に示すように、送信機100から送出された光パルス列106は、光伝送路107を介して受信機110に到達する。まず、受信機110は、光分岐手段111を使用して、送信機100から受信した光パルス列をエネルギー的に等分になるよう2つに分岐し、その分岐した各光パルス列を長経路112および短経路113に送出する。長経路112では、光パルス列に一定の遅延(本明細書では、時間T)を加える。その後、長経路112および短経路113を通った光パルス列は、2×2合波カップラ114にて再び合波する。2×2合波カップラ114は、2つの入力端子(長経路112および短経路113にそれぞれ接続されている)を備え、長経路112および短経路113を通った光パルス列を受け入れる。また、2×2合波カップラ114は、2つの出力端子も備え、それぞれの出力端子は、第1の光子検出器(光子検出器1)115、および第2の光子検出器(光子検出器2)116に接続される。   As shown in FIG. 1, the optical pulse train 106 transmitted from the transmitter 100 reaches the receiver 110 via the optical transmission path 107. First, the receiver 110 uses the optical branching means 111 to split the optical pulse train received from the transmitter 100 into two so as to be equally divided in energy, and the branched optical pulse trains are divided into the long path 112 and Send to short path 113. In the long path 112, a certain delay (in this specification, time T) is added to the optical pulse train. Thereafter, the optical pulse train that has passed through the long path 112 and the short path 113 is combined again by the 2 × 2 multiplexing coupler 114. The 2 × 2 multiplexing coupler 114 includes two input terminals (connected to the long path 112 and the short path 113, respectively), and receives an optical pulse train that has passed through the long path 112 and the short path 113. The 2 × 2 multiplexing coupler 114 also includes two output terminals, each of which has a first photon detector (photon detector 1) 115 and a second photon detector (photon detector 2). ) 116.

上記の長経路112で一方の光パルス列に与えられる一定の遅延時間Tは、送信機100から光伝送路107を介して受信機110に入力される光パルス列の一定間隔Tに等しいものと仮定すると(図1においてTで示す)、2×2合波カップラ114では、前後のパルスが重なり合って合波される。パルスが重なり合う様子は、図1の受信機110の下に図示した。   Assume that the constant delay time T given to one optical pulse train in the long path 112 is equal to the constant interval T of the optical pulse train input from the transmitter 100 to the receiver 110 via the optical transmission path 107. In the 2 × 2 multiplexing coupler 114 (indicated by T in FIG. 1), the preceding and following pulses overlap and are multiplexed. The manner in which the pulses overlap is illustrated below the receiver 110 in FIG.

受信機110に入力された光パルス列は、0またはπで位相変調されている。したがって、受信機110内の分岐・合波経路の伝播位相が適当であれば、重なり合うパルスの位相差は0またはπとなる。   The optical pulse train input to the receiver 110 is phase-modulated by 0 or π. Therefore, if the propagation phase of the branching / combining path in the receiver 110 is appropriate, the phase difference between the overlapping pulses is 0 or π.

2×2合波カップラ114での合波の結果、両パルスは干渉し、位相差が0なら第1の検出器115が光子を検出し、位相差πなら第2の検出器116が光子を検出することになる。   As a result of multiplexing by the 2 × 2 multiplexing coupler 114, both pulses interfere. If the phase difference is 0, the first detector 115 detects the photon, and if the phase difference is π, the second detector 116 detects the photon. Will be detected.

上記の構成を用いて、送信機100と受信機110は、以下の手順により秘密鍵を得る。   Using the above configuration, the transmitter 100 and the receiver 110 obtain a secret key by the following procedure.

まず、受信機110は、上記構成により送信機100から送出され、光伝送路107を経たパルスから光子を検出する。この際、受信機110は、光子を検出した時刻と光子検出器(115または116)を、制御部(図示しない)により内蔵の記憶手段(図示しない)に記録する。所定の数の光子が受信された後、受信機110は、通信手段(図示しない)と所定の通信路(図示しない)を介して、送信機100に対して光子が検出された時刻(光子検出時刻)を通知する。   First, the receiver 110 detects a photon from a pulse transmitted from the transmitter 100 through the optical transmission path 107 with the above-described configuration. At this time, the receiver 110 records the photon detection time and the photon detector (115 or 116) in a built-in storage means (not shown) by a control unit (not shown). After a predetermined number of photons are received, the receiver 110 detects the time when the photons are detected by the transmitter 100 via a communication means (not shown) and a predetermined communication path (not shown) (photon detection). Time).

送信機100は、受信機110から通知された光子検出時刻と送信機自身の有する位相変調データとから、第1の検出器115または第2の光子検出器116のいずれで光子を検出したのかを受信機110が知ることができる。   The transmitter 100 uses the first detector 115 or the second photon detector 116 to detect a photon from the photon detection time notified from the receiver 110 and the phase modulation data of the transmitter itself. The receiver 110 can know.

そこで、第1の光子検出器115で光子を検出した場合をビット「0」、第2の光子検出器116で光子を検出した場合をビット「1」と予め取り決めておけば、送信器100と受信機110は、双方で同じビット列を得ることができる。   Therefore, if the photon is detected by the first photon detector 115 as bit “0” and the photon detected by the second photon detector 116 is determined as bit “1” in advance, The receiver 110 can obtain the same bit string on both sides.

上記手順においては、受信機110から送信機100へ通知されるのは光子検出時刻のみであるため、ビット情報は受信機110の外部に出ることはなく、盗聴させることはない。   In the above procedure, since only the photon detection time is notified from the receiver 110 to the transmitter 100, the bit information does not go outside the receiver 110 and is not eavesdropped.

上記鍵配送システムを実施するには、光子1つを検出可能な光子検出器を必要である。このような光子検出器には、通常、高いバイアス電圧が印加されたアバランシェ・フォト・ダイオード(Avalanche-Photo-Diode:APD)が用いられる。しかしながら、ファイバ通信波長帯(1.3−1.5μm帯)用のInGaAs−APDの性能が良くなく、特に、いったん光子を検出した後に、その検出の影響のため、続けて誤検出するアフターパルスと呼ばれる現象が、システム性能の劣化要因となっている。そこで、このアフターパルスの発生を避けるために、通常、時間間隔を空けて間欠的に高いバイアス電圧を印加するゲート動作モードでAPDを使用している。ゲート動作の繰り返し周波数の上限は数MHzであって、この上限よりも高い周波数では、アフターパルスによる誤検出率が増大する。このため、このAPDのゲート周波数の上限が、鍵配送システムの鍵生成レートを制限する要因となっている。   In order to implement the key distribution system, a photon detector capable of detecting one photon is required. In such a photon detector, an avalanche-photo-diode (APD) to which a high bias voltage is applied is usually used. However, the performance of InGaAs-APD for the fiber communication wavelength band (1.3-1.5 μm band) is not good, especially after detecting a photon once, and subsequently detecting an erroneous pulse due to the detection effect. This phenomenon is a cause of system performance degradation. Therefore, in order to avoid the occurrence of the after pulse, the APD is normally used in a gate operation mode in which a high bias voltage is applied intermittently with a time interval. The upper limit of the repetition frequency of the gate operation is several MHz. At a frequency higher than this upper limit, the false detection rate due to the after pulse increases. For this reason, the upper limit of the gate frequency of the APD is a factor that limits the key generation rate of the key distribution system.

一方、短波長帯(0.5−0.8μm)で動作するSi−APDは、光子検出効率/雑音特性ともに優れた性能を有する。アフターパルスの発生確率も小さく、そのためゲート動作させる必要がない。この特性を通信波長帯光子の検出に利用できれば、量子鍵配送システムの鍵生成レートを大幅に向上することができ得る。そこで、通信波長帯光子を短波長帯に波長変換して、これをSi−APDで検出する光子検出器の研究が近年進められている(非特許文献2)。   On the other hand, Si-APD operating in a short wavelength band (0.5-0.8 μm) has excellent performance in both photon detection efficiency / noise characteristics. The after-pulse generation probability is also small, so there is no need for gate operation. If this characteristic can be used for detection of photons in the communication wavelength band, the key generation rate of the quantum key distribution system can be greatly improved. Then, research of the photon detector which converts the wavelength of a communication wavelength band photon into a short wavelength band and detects this with Si-APD has been advanced in recent years (Non-Patent Document 2).

図2は、このような波長変調型光子検出器の基本構成を示す。光合波器201により波長1.5μmの信号光子を波長1.3μmのポンプ光と合波して、光非線形素子202に入力する。光非線形素子202では、光パラメトリック相互作用と呼ばれる光のミキシング現象により、波長1.5μmの信号光子が(1/1.5+1/1.3)‐1=0.7μmという波長の光子に変換される。この波長変換された光子(波長変換光子)を光フィルタ(ポンプ光阻止フィルタ)203で取り出し、Si−APD204で検出する。これにより、1.5μmの信号光子をゲート動作させることなく、Si−APD204で検出することができ、量子鍵配送システムの鍵生成レートを高めることができる。 FIG. 2 shows a basic configuration of such a wavelength modulation photon detector. A signal photon having a wavelength of 1.5 μm is combined with pump light having a wavelength of 1.3 μm by the optical multiplexer 201 and input to the optical nonlinear element 202. In the optical nonlinear element 202, a signal photon having a wavelength of 1.5 μm is converted into a photon having a wavelength of (1 / 1.5 + 1 / 1.3) −1 = 0.7 μm by a light mixing phenomenon called optical parametric interaction. The The wavelength-converted photon (wavelength-converted photon) is taken out by the optical filter (pump light blocking filter) 203 and detected by the Si-APD 204. Thereby, it is possible to detect the 1.5 μm signal photon by the Si-APD 204 without performing the gate operation, and the key generation rate of the quantum key distribution system can be increased.

K. Inoue, E. Waks, Y. Yamamoto,「Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light 」2003年、Physical Review A, vol.68, paper number 022317K. Inoue, E. Waks, Y. Yamamoto, `` Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light '' 2003, Physical Review A, vol.68, paper number 022317 C. Langrock, E. Diamanyi, R. V. Roussev, Y. Yamamoto, M. M. Fejer, H. Takesue,「Highly efficient single-photon detection at communication wavelength by use of upconversion in reverse-proton-exchanged periodically poled LiNbO3 waveguide」、2005年、Optics Letters, vol.30, pp.1725-1727C. Langrock, E. Diamanyi, RV Roussev, Y. Yamamoto, MM Fejer, H. Takesue, `` Highly efficient single-photon detection at communication wavelength by use of upconversion in reverse-proton-exchanged periodically poled LiNbO3 waveguide '', 2005 , Optics Letters, vol.30, pp.1725-1727

上述したような波長変換型光子検出器は、非ゲート動作が可能という利点がある一方、偏波依存性があるという欠点を有する。光非線形素子202内で起こる光パラメトリック相互作用の効率は、ポンプ光と信号光光子の偏波状態に依存する。そのため、光子検出器としての検出効率が信号光子の偏波状態に依存することになる。信号光子は光ファイバ(例えば、光伝送路107)を伝搬してきており、その偏波状態は伝送環境により変動する。これに対処するためには、信号光子の光子検出器への入力偏波状態を一定とする制御系が必要となり、そのために伝送装置が複雑化する。   The wavelength conversion type photon detector as described above has an advantage that non-gate operation is possible, but has a disadvantage of being polarization dependent. The efficiency of the optical parametric interaction that occurs in the optical nonlinear element 202 depends on the polarization state of the pump light and the signal light photon. Therefore, the detection efficiency as a photon detector depends on the polarization state of the signal photon. The signal photon has propagated through the optical fiber (for example, the optical transmission line 107), and its polarization state varies depending on the transmission environment. In order to cope with this, a control system that makes the input polarization state of the signal photon to the photon detector constant is required, which complicates the transmission apparatus.

本発明の目的は、上記のような課題を解決するために、波長変換型光子検出器を使用しつつ、信号光の複雑な偏波制御を必要としない量子鍵配送システムを提供することにある。   In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a quantum key distribution system that uses a wavelength conversion photon detector and does not require complicated polarization control of signal light. .

上記目的を達成するため、本発明は、送信機および受信機を備える量子鍵配送システムにおいて、前記送信機は、一定の時間間隔のパルスからなる光パルス列を送出する光源と、前記光源から送出された前記光パルス列を0またはπで位相変調する位相変調器と、前記位相変調器で位相変調された光パルス列を、1パルスごとに直交する2つの偏波状態として交互に出力する偏波変調手段と、前記偏波変調手段から出力された光パルス列を、パルス当り平均1光子未満の光パルス列として送出する減衰手段と、を備えており、前記受信機は、前記送信機の前記減衰手段から送出された前記光パルス列を受信し、第1の光パルス列と第2の光パルス列に分岐する分岐手段と、前記第1の光パルス列を、前記送信機から送られた光パルス列の時間間隔の2倍の時間だけ遅延させる遅延手段と、前記遅延手段により遅延させられた前記第1の光パルス列と前記第2の光パルス列とを合波し、合波後の光パルスを生成する光合波手段と前記光合波手段で生成された光パルスの、前記遅延させられた前記第1の光パルス列と前記第2の光パルス列を2パルス分シフトしたパルス間の相対的位相差が0である場合に、光子を検出する第1の光子検出手段と、前記光合波手段で生成された光パルスの、前記遅延させられた前記第1の光パルス列と前記第2の光パルス列を2パルス分シフトしたパルス間の相対的位相差がπである場合に、光子を検出する第2の光子検出手段と、前記第1と第2の光子検出手段のうち光子を検出した光子検出手段とその検出時刻とを記録する記録手段とを備えていることを特徴とする。   To achieve the above object, according to the present invention, in a quantum key distribution system including a transmitter and a receiver, the transmitter transmits a light pulse train composed of pulses having a constant time interval, and is transmitted from the light source. A phase modulator that phase-modulates the optical pulse train with 0 or π, and a polarization modulator that alternately outputs the optical pulse train phase-modulated with the phase modulator as two polarization states orthogonal to each pulse. And an attenuation means for transmitting the optical pulse train output from the polarization modulation means as an optical pulse train having an average of less than one photon per pulse, and the receiver transmits from the attenuation means of the transmitter. Branching means for receiving the received optical pulse train and branching it into a first optical pulse train and a second optical pulse train, and a time of the optical pulse train sent from the transmitter for the first optical pulse train. A delay unit that delays by a time twice as long as the interval; and an optical multiplexing unit that combines the first optical pulse train and the second optical pulse train delayed by the delay unit to generate a combined optical pulse. The relative phase difference between the delayed pulse of the first optical pulse train and the second optical pulse train of the optical pulse generated by the wave means and the optical multiplexing means is zero. In this case, the first photon detection means for detecting photons, and the delayed first optical pulse train and the second optical pulse train of the optical pulses generated by the optical multiplexing means are shifted by two pulses. Second photon detection means for detecting photons, photon detection means for detecting photons among the first and second photon detection means, and a detection time thereof, when the relative phase difference between the pulses is π. Recording means for recording The features.

ここで、前記偏波変調手段は、前記位相変調器からの光パルス列を分岐し、分岐された一方のパルス列の時間間隔の半分だけ遅延させ、かつ直交する偏波状態に変換し、その変換されたパルス列と分岐された他方のパルス列とを合波することを特徴とすることもできる。   Here, the polarization modulation means branches the optical pulse train from the phase modulator, delays it by half of the time interval of one of the branched pulse trains, and converts it to an orthogonal polarization state and converts it. It is also possible to combine the pulse train and the other branched pulse train.

また、前記偏波変調手段は、前記位相変調器からの光パルス列の偏波状態に対して早軸、遅軸が45度になるように配置された複屈折素子を含むことを特徴とすることもできる。   Further, the polarization modulation means includes a birefringence element arranged so that a fast axis and a slow axis are 45 degrees with respect to a polarization state of the optical pulse train from the phase modulator. You can also.

また、前記送信機は、所定の長さの光パルス列を前記受信機に送信し、前記受信機は、光子を検出した光子検出時刻を前記送信機へ通知し、前記送信機は、自身の位相変調データと前記受信機から受信した前記光子検出時刻とから、前記第1と第2の光子検出手段のうちいずれの光子検出手段が光子を検出したかを判定し、前記送信機と前記受信機は、光子を検出した事象について、前記第1の光子検出手段による光子検出であればビット「0」を、前記第2の光子検出手段による光子検出であればビット「1」を、付与し、その結果得られた共通のビット値を秘密鍵ビットとする、ことを特徴とすることができる。   The transmitter transmits an optical pulse train having a predetermined length to the receiver, the receiver notifies the transmitter of the photon detection time when the photon is detected, and the transmitter has its own phase. From the modulated data and the photon detection time received from the receiver, it is determined which one of the first and second photon detection means has detected a photon, and the transmitter and the receiver For a photon detected event, a bit “0” is provided for photon detection by the first photon detection means, and a bit “1” is provided for photon detection by the second photon detection means, The common bit value obtained as a result can be used as a secret key bit.

上記構成により、本発明によれば、偏波依存性のある光子検出器を用いる量子鍵配送システムにおいて、偏波状態の乱れを正すために、光パルスの偏光と合波をコンロトールしているので、複雑な偏波制御をすることなく、簡便に偏波状態の影響を除けることができ、安定な鍵生成動作を得ることができる。   With the above configuration, according to the present invention, in the quantum key distribution system using the photon detector having polarization dependency, the polarization and multiplexing of the optical pulse are controlled in order to correct the disturbance of the polarization state. Therefore, the influence of the polarization state can be easily removed without performing complicated polarization control, and a stable key generation operation can be obtained.

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図3は、本発明の第1の実施形態に係る量子鍵配送システムの構成を示す。図3において、送信機300は、光源301、位相変調器302、偏波変調器303、減衰手段304、および制御部(CPU1)305を備える。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 3 shows the configuration of the quantum key distribution system according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 3, the transmitter 300 includes a light source 301, a phase modulator 302, a polarization modulator 303, an attenuation unit 304, and a control unit (CPU 1) 305.

光源301は、位相変調器302に接続されている。位相変調器302は偏波変調器303に接続され、さらに偏波変調器303は減衰手段304に接続されている。すなわち、光源301と減衰手段303の間には、位相変調器352と偏波変調器303が存在する。   The light source 301 is connected to the phase modulator 302. The phase modulator 302 is connected to the polarization modulator 303, and the polarization modulator 303 is further connected to the attenuation means 304. That is, the phase modulator 352 and the polarization modulator 303 exist between the light source 301 and the attenuation means 303.

制御部305は、送信機300の全体の主制御を行うCPU(中央制御ユニット)である。また、送信機300は、光源301、位相変調器302、偏波変調器303、減衰手段304、および制御部305の制御プログラム等を格納したROM(図示せず)の他、各種データを保管し、また一時ワークステーションとして利用するRAM等のメモリ(図示せず)を備える。このような構成により、制御部305は、送信機300全体の主制御を行うことができる。   The control unit 305 is a CPU (Central Control Unit) that performs the main control of the entire transmitter 300. The transmitter 300 also stores various data in addition to a ROM (not shown) storing a light source 301, a phase modulator 302, a polarization modulator 303, an attenuation unit 304, a control program for the control unit 305, and the like. In addition, a memory (not shown) such as a RAM used as a temporary workstation is provided. With such a configuration, the control unit 305 can perform main control of the entire transmitter 300.

送信機300の光源301は、一定の時間間隔Tで光パルス列を送出する。この光パルス列は位相変調器302に入力される。   The light source 301 of the transmitter 300 transmits an optical pulse train at a constant time interval T. This optical pulse train is input to the phase modulator 302.

位相変調器302は、光源301から入力された光パルス列に含まれる各パルスを0またはπで位相変調した後、その光パルス列を偏波変調器303に受け渡す。すなわち、位相変調器302から出力される光パルス列に含まれるパルスのそれぞれの位相は、0またはπである。   The phase modulator 302 phase-modulates each pulse included in the optical pulse train input from the light source 301 with 0 or π, and then passes the optical pulse train to the polarization modulator 303. That is, the phase of each pulse included in the optical pulse train output from the phase modulator 302 is 0 or π.

偏波変調器303は、入力された光パルスを、パルスごとに交互に、直交する2つの偏波状態として変調した後、その変調した偏波状態の光パルス列を減衰手段304に受け渡す。これにより、例えば、奇数番目のパルスは縦偏波状態(V)、偶数番目は横偏波状態(H)、というような光パルス列が減衰手段304へと出力される。   The polarization modulator 303 modulates the input optical pulse alternately into two orthogonal polarization states for each pulse, and then passes the modulated optical pulse train in the polarization state to the attenuation unit 304. Thereby, for example, an optical pulse train in which the odd-numbered pulse is in the longitudinal polarization state (V) and the even-numbered pulse is in the transverse polarization state (H) is output to the attenuation unit 304.

減衰手段304は、例えば、NDフィルタ(Neutral Density Filter:減光フィルタ)等、レーザ光などの光源から入射される光を大きく減衰させるための手段であれば、いずれのものを用いても構わない。本発明では、パルス当り平均1光子未満の光パルス列を送信機300から送出するが、パルス当り光子未満の光パルス列は、通常のレーザ光を大きく減衰させ、平均光子数1未満という状態を実現することができる。   The attenuating means 304 may be any means as long as it is a means for greatly attenuating light incident from a light source such as a laser beam, such as an ND filter (Neutral Density Filter). . In the present invention, an optical pulse train having an average of less than one photon per pulse is transmitted from the transmitter 300. However, an optical pulse train having an average of less than one photon per pulse greatly attenuates ordinary laser light and realizes a state where the average number of photons is less than one. be able to.

より詳細に説明すると、「パルス当り1光子未満の光パルス列」とは、所定の数の光パルス列であって、光子の数がパルスの数よりも少ない状態のことを指す。   More specifically, “an optical pulse train of less than one photon per pulse” refers to a state of a predetermined number of optical pulse trains in which the number of photons is smaller than the number of pulses.

その後、送信機300は、減衰手段304を通った光パルス列306を受信機310に対して光伝送路307を介して送出する。   Thereafter, the transmitter 300 transmits the optical pulse train 306 that has passed through the attenuation means 304 to the receiver 310 via the optical transmission path 307.

光検出装置としての受信機310は、光分岐手段(C1)311、長経路312、短経路313、2×2合波カップラ(C2)314、第1の光子検出器(光子検出器1)315、第2の光子検出器(光子検出器2)316、および制御部(CPU2)317を備える。第1の光子検出器315と第2の光子検出器316は、例えば上述した図2の構成のような波長変調型光子検出器を適用することができる。   The receiver 310 as a light detection device includes an optical branching unit (C1) 311, a long path 312, a short path 313, a 2 × 2 multiplexing coupler (C2) 314, and a first photon detector (photon detector 1) 315. , A second photon detector (photon detector 2) 316, and a control unit (CPU 2) 317. As the first photon detector 315 and the second photon detector 316, for example, a wavelength modulation type photon detector having the configuration of FIG. 2 described above can be applied.

光分岐手段311は、長経路312および短経路313に接続されている。2×2合波カップラ314は、入力端子および出力端子がそれぞれ2つずつ備わっていて、その入力端子は長経路312および短経路313に接続されており、その出力端子は第1の光子検出器315および第2の光子検出器316に接続されている。   The optical branching unit 311 is connected to the long path 312 and the short path 313. The 2 × 2 multiplexing coupler 314 has two input terminals and two output terminals, the input terminals are connected to the long path 312 and the short path 313, and the output terminal is the first photon detector. 315 and a second photon detector 316.

2×2合波カップラ314は、一方の入力端子で長経路312からの光パルス列を受信し、他方の入力端子で短経路313からの光パルス列を受信する。その後、2×2合波カップラ314は、2つの光パルス列の位相差が0の場合には、一方の出力端子から第1の光子検出器315に光子を出力し、位相差がπの場合には、他方の出力端子から第2の光子検出器316に光子を出力する特性を有している。   The 2 × 2 multiplexing coupler 314 receives the optical pulse train from the long path 312 at one input terminal, and receives the optical pulse train from the short path 313 at the other input terminal. Thereafter, when the phase difference between the two optical pulse trains is 0, the 2 × 2 multiplexing coupler 314 outputs a photon from one output terminal to the first photon detector 315, and when the phase difference is π. Has a characteristic of outputting photons from the other output terminal to the second photon detector 316.

受信機310については、受信機側の制御部317が受信機全体310の主制御を行う。制御部317の制御プログラム等を格納したROM(図示せず)や送信機300が有するメモリと同様の機能を果たすメモリ(図示せず)を有する点も送信機300と同様である。   For the receiver 310, a control unit 317 on the receiver side performs main control of the entire receiver 310. It is the same as the transmitter 300 in that it has a ROM (not shown) that stores a control program of the control unit 317 and a memory (not shown) that performs the same function as the memory that the transmitter 300 has.

受信機310へ入力された光パルス列306は、光分岐手段311により長経路312および短経路313にエネルギー的に等分(例えば、50対50)にそれぞれ分岐される。長経路312に分岐された光パルス列は、一定の遅延時間だけ遅延させられた後、2×2光合波カップラ314で短経路313を通った光パルス列と再び合波される。ここで、上記の一定の遅延時間は、図3に示すように、入力された光パルス列306のパルス間隔Tの2倍に等しいものとする。   The optical pulse train 306 input to the receiver 310 is branched into the long path 312 and the short path 313 energetically equally (for example, 50 to 50) by the optical branching unit 311. The optical pulse train branched to the long path 312 is delayed by a certain delay time, and then combined again with the optical pulse train that has passed through the short path 313 by the 2 × 2 optical multiplexing coupler 314. Here, the fixed delay time is assumed to be equal to twice the pulse interval T of the input optical pulse train 306 as shown in FIG.

以上の構成の下、送信機300は、0またはπで任意に位相変調した一定間隔(パルス間隔)Tの光パルス列を、パルス当り平均1個光子未満(例えば、0.1光子/パルス)で光伝送路307に送出する。   Under the above configuration, the transmitter 300 generates an optical pulse train having a constant interval (pulse interval) T arbitrarily phase-modulated by 0 or π at an average of less than one photon (for example, 0.1 photon / pulse). It is sent to the optical transmission line 307.

以下の説明では、説明の便宜上、上記条件で説明するが、本発明を上記条件に限定するという意図ではない。   In the following description, for convenience of explanation, the description will be made under the above conditions, but the present invention is not intended to be limited to the above conditions.

受信機310は、送信機300から光伝送路307を経由して伝送されてきた光パルス列306を、光分岐手段311によって受け取る。光分岐手段311により長経路312および短経路313にエネルギー的に等分(例えば、50対50)にそれぞれ分岐された光パルス列は、2×2合波カップラ314で合波される。その合波された光パルス列は、後述するようにパルス間の位相差に従って第1の光子検出器315、または第2の光子検出器316によって検出される。   The receiver 310 receives the optical pulse train 306 transmitted from the transmitter 300 via the optical transmission path 307 by the optical branching unit 311. The optical pulse train branched into the long path 312 and the short path 313 by the optical branching means 311 equally (for example, 50 to 50) is multiplexed by the 2 × 2 multiplexing coupler 314. The combined optical pulse train is detected by the first photon detector 315 or the second photon detector 316 according to the phase difference between the pulses as will be described later.

上記のような受信機310の回路を構成すると、受信機310の2×2合波カップラ314では、図4に示すように、1つ置きのパルス(奇数番目のパルス同士/偶数番目のパルス同士)が重なり合う。図4において、Vは光パルスの縦偏波状態、Hは光パルスの横偏波状態を表している。すなわち、送信機300から送出された光パルス列306の各パルスは一定の時間間隔Tで送出されており、また長経路312を通った光パルス列は一定の時間間隔2Tだけ遅延しているので、長経路312を通った光パルス列をちょうど2パルス分遅延した状態で、短経路313を通った光パルス列と合波される。また、送信機300から送出された光パルス列306は1パルスごとに直交する偏波状態で送出されているので、1つ置きのパルス同士は同じ偏波状態である。したがって、重なり合ったパルスは干渉を起こす。   If the circuit of the receiver 310 as described above is configured, the 2 × 2 multiplexing coupler 314 of the receiver 310, as shown in FIG. 4, every other pulse (odd number pulses / even number pulses). ) Overlap. In FIG. 4, V represents the longitudinal polarization state of the optical pulse, and H represents the lateral polarization state of the optical pulse. That is, each pulse of the optical pulse train 306 sent from the transmitter 300 is sent out at a constant time interval T, and the optical pulse train passing through the long path 312 is delayed by a constant time interval 2T. The optical pulse train that has passed through the path 312 is combined with the optical pulse train that has passed through the short path 313 while being delayed by exactly two pulses. Further, since the optical pulse train 306 transmitted from the transmitter 300 is transmitted in the orthogonal polarization state for each pulse, every other pulse has the same polarization state. Therefore, overlapping pulses cause interference.

上記の2×2合波カップラ314での合波による干渉の結果、パルス間の位相差が0ならば第1の光子検出器315が光子を検出し、パルス間の位相差がπならば第2の光子検出器316が光子を検出する。ただし、送信機300から送信された光は、パルス当り平均1個光子未満なので、光子が検出されるのは稀である。   If the phase difference between the pulses is 0 as a result of the interference by the 2 × 2 multiplexing coupler 314, the first photon detector 315 detects the photon, and if the phase difference between the pulses is π, the first photon detector 315 detects the photon. Two photon detectors 316 detect the photons. However, since the light transmitted from the transmitter 300 is less than one photon on average per pulse, photons are rarely detected.

受信機310の制御部317は、光子検出器から光子を検出したという信号を得た場合、受信機310が予め備えるメモリなどの記憶手段(図示せず)に、光子を検出した時刻(光子検出時刻)を格納する。   When the control unit 317 of the receiver 310 obtains a signal that a photon is detected from the photon detector, the time when the photon is detected in a storage unit (not shown) such as a memory provided in the receiver 310 (photon detection). Time).

図4では、図3で説明した光パルス列306が送信された場合の受信パルスの重なり具合を示しており、右斜線長方形(1、3、5)と左斜線長方形(2、4、6)のパルスが示されているが、右斜線長方形は縦偏波(V)で送信されたパルスを表わし、左斜線長方形は横偏波(H)で送信されたパルスを表わしている。なお、光伝送路306のファイバ伝送中に偏波状態は変化しており、受信機310への入力状態は縦・横偏波であるとは限らないが、両者が直交関係にあることはファイバ伝送後も保持されている。   FIG. 4 shows how the received pulses overlap when the optical pulse train 306 described in FIG. 3 is transmitted. The right oblique rectangle (1, 3, 5) and the left oblique rectangle (2, 4, 6) are shown. Although pulses are shown, the right hatched rectangle represents a pulse transmitted with vertical polarization (V), and the left hatched rectangle represents a pulse transmitted with horizontal polarization (H). The polarization state changes during fiber transmission of the optical transmission line 306, and the input state to the receiver 310 is not necessarily longitudinal / transversely polarized. Retained after transmission.

上記構成及び動作特性を利用して、以下の手順により、送信機300と受信機310は共通のビットを得る。なお、共通のビットを得る手順についても、上述したように、制御部305,317が、対応する送信機300および受信機310をそれぞれ制御して行う。
(1)送信機300は、光伝送路307を介して受信機310に所定の長さの光パルス列306を送信する。
(2)受信機310は、光子を検出した時間スロット(光子検出時刻)を所定の通信路308を介して送信機300に通知する。通信路308としては任意の通信路が利用でき、光伝送路とは限らず、無線、有線のいずれの通信網でもよい。
(3)送信機300は、自身の位相変調データと受信機310から受信した光子検出時刻とから、受信機310において第1の光子検出器315または第2の光子検出器316のいずれの光子検出器が光子を検出したのかを判定する。
(4)送信機300と受信機310は、光子を検出した事象について、それぞれ第1の光子検出器315による光子検出であればビット「0」を、第2の光子検出器316による光子検出であればビット「1」を、付与する。その際、光子を検出した光子検出器はすでに確定しているので、送受信機300,310は同じビット値を得ることになる。このビット値を秘密鍵ビットとする。
Using the above configuration and operation characteristics, the transmitter 300 and the receiver 310 obtain a common bit by the following procedure. As described above, the control units 305 and 317 also control the corresponding transmitter 300 and receiver 310 to obtain a common bit.
(1) The transmitter 300 transmits an optical pulse train 306 having a predetermined length to the receiver 310 via the optical transmission path 307.
(2) The receiver 310 notifies the transmitter 300 of a time slot (photon detection time) in which a photon is detected via a predetermined communication path 308. An arbitrary communication path can be used as the communication path 308 and is not limited to an optical transmission path, and may be either a wireless or wired communication network.
(3) The transmitter 300 detects either the first photon detector 315 or the second photon detector 316 in the receiver 310 from its own phase modulation data and the photon detection time received from the receiver 310. Determine if the instrument has detected a photon.
(4) The transmitter 300 and the receiver 310 each detect a photon detected by the first photon detector 315 if the photon is detected, and the bit “0” is detected by the second photon detector 316. If there is, bit “1” is assigned. At this time, since the photon detector that has detected the photon has already been determined, the transceivers 300 and 310 obtain the same bit value. This bit value is a secret key bit.

以下、本実施形態において、使用する光子検出器の検出効率が信号光偏波に依存している場合でも、偏波制御することなく安定システム動作が得られることを説明する。   Hereinafter, in this embodiment, even when the detection efficiency of the photon detector used depends on the signal light polarization, it will be described that a stable system operation can be obtained without polarization control.

一般に偏波状態は、2次元の複素単位ベクトルで表わされる。ここで、光子検出器は、e1という偏波状態の光を検出するが、この光と直交するe0という偏波状態の光に対して感度がないものとする。e1とe0の両者が直交偏波関係であることは、式の上では、
(e1 *・e0)=0
または
(e0 *・e1)=0
と表わされる。ただし、(・)はベクトルの内積、*は複素共役である。
In general, the polarization state is represented by a two-dimensional complex unit vector. Here, it is assumed that the photon detector detects light in the polarization state of e 1 , but is insensitive to light in the polarization state of e 0 orthogonal to this light. The fact that both e 1 and e 0 are orthogonally polarized is
(E 1 * · e 0 ) = 0
Or (e 0 * · e 1 ) = 0
It is expressed as Where (·) is the inner product of vectors and * is the complex conjugate.

これに対し、信号光は、奇数番目のパルスがeVという偏波状態、奇数番目のパルスがeHという偏波状態であるとする。ファイバ伝送後も直交関係は保たれるので、
(eV *・eH)=0
または
(eH *・eV)=0
である。ここで、一般に{eV、eH}は{e1、e0}により次のように表わすことかができる。
On the other hand, the signal light is in a polarization state where the odd-numbered pulse is e V and in which the odd-numbered pulse is e H. Since the orthogonal relationship is maintained after fiber transmission,
(E V * · e H ) = 0
Or (e H * · e V ) = 0
It is. Here, in general, {e V , e H } can be expressed by {e 1 , e 0 } as follows.

Figure 0004591972
Figure 0004591972

θ,φは、ファイバ伝送中の偏波状態の変化の仕方によって決まる定数であるが、上の表式によりθ,φによらず、{eV、eH}と{e1、e0}はそれぞれ直交関係が成り立つことが表わされている。 θ and φ are constants determined by how the polarization state changes during fiber transmission, but {e V , e H } and {e 1 , e 0 } are independent of θ and φ according to the above table. Indicates that an orthogonal relationship holds.

信号光が光子検出器(315または316)に入力されると、検出感度のある偏波状態e1と重なり合う偏波成分が光子検出される。偏波の重なり具合は、定量的に|(eV *・e1)|2と、|(eH *・e1)|2とで表わされる。それが絶対値二乗であるのは、観測にかかるのは振幅ではなくて強度(光強度)であるためである。上記の式(1)を用いると、偏波の重なり度は、奇数番目のパルスに対して
|(eV *・e1)|2=cos2θ
偶数番目のパルスに対して
|(eH *・e1)|2=sin2θ
となる。
When the signal light is input to the photon detector (315 or 316), polarization components overlapping the polarization state e 1 with the detection sensitivity is photon detection. The degree of polarization overlap is quantitatively represented by | (e V * · e 1 ) | 2 and | (e H * · e 1 ) | 2 . The reason for this is the square of the absolute value because it is not the amplitude but the intensity (light intensity) that is observed. Using the above equation (1), the degree of polarization overlap is | (e V * · e 1 ) | 2 = cos 2 θ for odd-numbered pulses.
For even-numbered pulses | (e H * · e 1 ) | 2 = sin 2 θ
It becomes.

上の考察は、光子検出器315,316の検出効率は、奇数番目のパルス同士の干渉に対してはcos2θに比例した値、偶数番目のパルス同士の干渉に対してはsin2θに比例した値、となることを示している。両者を足し合わせると、
cos2θ+sin2θ=1
となり、θには依存しない値となる。このことは、奇数番目のパルス同士の干渉が光子検出器で検出される確率と、偶数番目のパルス同士の干渉が光子検出器で検出される確率との合計をとると、必ず一定となることを示している。すなわち、ファイバ中の偏波変動には依存しない信号検出を行うことができる。
The above consideration is that the detection efficiency of the photon detectors 315 and 316 is a value proportional to cos 2 θ for interference between odd-numbered pulses, and sin 2 θ for interference between even-numbered pulses. It shows that it becomes a proportional value. When both are added together,
cos 2 θ + sin 2 θ = 1
Thus, the value does not depend on θ. This means that the sum of the probability that interference between odd-numbered pulses is detected by the photon detector and the probability that interference between even-numbered pulses is detected by the photon detector is always constant. Is shown. That is, signal detection independent of polarization fluctuations in the fiber can be performed.

したがって、本実施形態は奇数番目のパルス同士の干渉の光子検出信号と偶数番目のパルス同士の干渉の光子検出信号とを用いて、鍵生成を行っているので、本実施形態により、偏波制御をすることなく、安定した鍵生成動作を達成できる。   Therefore, in the present embodiment, the key generation is performed using the photon detection signal for interference between odd-numbered pulses and the photon detection signal for interference between even-numbered pulses. A stable key generation operation can be achieved without having to

(第2の実施形態)
図5は、本発明の第2の実施形態に係る量子鍵配送システムにおける送信機の構成を示す。本実施形態のシステム全体の構成は図3の第1の実施形態と同様であるが、送信機において交互に直交である偏波状態のパルス列を作り出す手段が異なっている。
(Second Embodiment)
FIG. 5 shows a configuration of a transmitter in the quantum key distribution system according to the second embodiment of the present invention. The configuration of the entire system of this embodiment is the same as that of the first embodiment of FIG. 3, but the means for generating a pulse train of polarization states that are alternately orthogonal in the transmitter is different.

図5に示すように、送信機300の光源301は、一定の時間間隔2Tで光パルス列を送出し、この光パルス列は位相変調器302に入力される。位相変調器302は、光源301から入力された光パルス列に含まれる各パルスを0またはπで位相変調する。すなわち、位相変調器302から出力される光パルス列501に含まれるパルスのそれぞれの位相は、0またはπである。   As shown in FIG. 5, the light source 301 of the transmitter 300 transmits an optical pulse train at a constant time interval 2T, and this optical pulse train is input to the phase modulator 302. The phase modulator 302 phase-modulates each pulse included in the optical pulse train input from the light source 301 by 0 or π. That is, the phase of each pulse included in the optical pulse train 501 output from the phase modulator 302 is 0 or π.

位相変調器302からの出力光は、光分岐手段502により長経路503および短経路504にエネルギー的に等分(例えば、50対50)にそれぞれ分岐される。長経路503に分岐された光パルス列は、偏波回転素子505により偏波状態を直交状態に変換され、さらに光源301からのパルス列の時間間隔の1/2、すなわちTだけ遅延させられた後、偏波ビームスプリッタ506で短経路504を通った光パルス列と再び合波される。   The output light from the phase modulator 302 is split in energy equally into the long path 503 and the short path 504 by the optical branching means 502 (for example, 50 to 50). The optical pulse train branched into the long path 503 is converted into an orthogonal state by the polarization rotation element 505, and further delayed by ½ of the time interval of the pulse train from the light source 301, that is, T, The polarization beam splitter 506 recombines the optical pulse train that has passed through the short path 504.

偏波ビットスプリッタ506への入力においては、長経路503を通った光パルスの偏波状態と短経路504を通った光パルス列の偏波状態は直交している。偏波ビームスプリッタ506では、この2つのパルス列が同一経路507へと合波される。これにより、偏波ビームスプリッタ506からは、長経路503を経由してきた光パルス列と短経路504を経由してきた光パルス列が、直交する偏波状態として出力される。さらに、時間間隔2Tのパルス列が時間Tだけ遅延されて合波されているので、時間間隔がT、かつ奇数番目のパルス(V)と偶数番目のパルス(H)とが直交偏波状態である光パルス列508が偏波ビームスプリッタ506から出力される。   At the input to the polarization bit splitter 506, the polarization state of the optical pulse passing through the long path 503 and the polarization state of the optical pulse train passing through the short path 504 are orthogonal. In the polarization beam splitter 506, these two pulse trains are combined into the same path 507. As a result, the polarization beam splitter 506 outputs the optical pulse train that has passed through the long path 503 and the optical pulse train that has passed through the short path 504 as orthogonal polarization states. Furthermore, since the pulse train of time interval 2T is delayed and combined by time T, the time interval is T, and the odd-numbered pulse (V) and the even-numbered pulse (H) are in the orthogonal polarization state. An optical pulse train 508 is output from the polarization beam splitter 506.

偏波ビームスプリッタ506からの出力508は、減衰手段304へ入力される。減衰手段304から以後の構成と動作は第1の実施形態と同様であるので、その説明は省略する。   An output 508 from the polarization beam splitter 506 is input to the attenuation unit 304. Since the subsequent configuration and operation from the attenuating means 304 are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted.

(第3の実施形態)
図6は、本発明の第3の実施形態に係る量子鍵配送システムにおける送信機の構成を示す。本実施形態のシステム全体の構成は図3の第1の実施形態と同様であるが、送信機において交互に直交する偏波状態であるパルス列を作り出す手段が、第1の実施形態及び第2の実施形態とは異なっている。
(Third embodiment)
FIG. 6 shows a configuration of a transmitter in the quantum key distribution system according to the third embodiment of the present invention. The configuration of the entire system of this embodiment is the same as that of the first embodiment of FIG. 3, but means for generating a pulse train that is a polarization state alternately orthogonal in the transmitter is the first embodiment and the second embodiment. This is different from the embodiment.

図6に示すように、送信機300の光源301は、一定の時間間隔2Tで光パルス列を送出し、その光パルス列は位相変調器302に入力される。位相変調器302は、光源301から入力された光パルス列に含まれる各パルスを0またはπで位相変調する。すなわち、位相変調器302から出力される光パルス列601に含まれるパルスのそれぞれの位相は、0またはπである。   As shown in FIG. 6, the light source 301 of the transmitter 300 transmits an optical pulse train at a constant time interval 2T, and the optical pulse train is input to the phase modulator 302. The phase modulator 302 phase-modulates each pulse included in the optical pulse train input from the light source 301 by 0 or π. That is, the phase of each pulse included in the optical pulse train 601 output from the phase modulator 302 is 0 or π.

位相変調器302からの出力光は、複屈折素子602に入力される。ここで、複屈折素子602の2つの屈折率軸(早軸と遅軸)に対して、入力パルス列601の偏波状態は斜め45°であるように設定する。すると、複屈折素子602内では、光は早軸成分と遅軸成分とに分かれて伝播する。早軸と遅軸とでは、屈折率が異なり、したがって伝搬速度が異なる。早軸と遅軸の屈折率差及び複屈折素子602の長さが適切であれば、伝搬速度の違いにより、早軸成分と遅軸成分の伝搬時間差を、入力パルス列601の時間間隔の半分すなわち、Tとすることができる。その早軸成分と遅軸成分とは、偏波状態が直交しているので、これにより、複屈折素子602からは時間間隔がT、かつ奇数番目と偶数番目のパルスが直交偏波状態である光パルス列603が出力される。   Output light from the phase modulator 302 is input to the birefringent element 602. Here, the polarization state of the input pulse train 601 is set to be oblique 45 ° with respect to the two refractive index axes (fast axis and slow axis) of the birefringent element 602. Then, in the birefringent element 602, the light propagates separately into a fast axis component and a slow axis component. The fast axis and the slow axis have different refractive indexes and therefore different propagation speeds. If the refractive index difference between the fast axis and the slow axis and the length of the birefringent element 602 are appropriate, the propagation time difference between the fast axis component and the slow axis component is half of the time interval of the input pulse train 601 due to the difference in propagation speed. , T. Since the fast axis component and the slow axis component are orthogonal to each other in polarization state, the time interval from the birefringent element 602 is T, and the odd-numbered and even-numbered pulses are in the orthogonal polarization state. An optical pulse train 603 is output.

複屈折素子602からの出力は、減衰手段304へ入力される。減衰手段304から以後の構成と動作は第1の実施形態と同様であるので、その説明は省略する。   The output from the birefringent element 602 is input to the attenuation means 304. Since the subsequent configuration and operation from the attenuating means 304 are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted.

(その他の実施形態)
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。
(Other embodiments)
In the above, the preferred embodiment of the present invention has been described by way of example. However, the embodiment of the present invention is not limited to the above-described example, and the constituent members thereof are within the scope of the claims. Various modifications such as replacement, change, addition, increase / decrease in number, change in shape design, etc. are all included in the embodiments of the present invention.

従来技術の差動位相シフト量子鍵配送システムの基本構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the basic composition of the differential phase shift quantum key distribution system of a prior art. 本発明で利用可能な公知の波長変調型光子検出器の基本構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the basic composition of the well-known wavelength modulation type photon detector which can be utilized by this invention. 本発明の第1の実施形態に係る量子鍵配送システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a quantum key distribution system according to a first embodiment of the present invention. 図3で説明したパルスが送信された場合の受信パルスの重なり具合を示すタイミング図である。FIG. 4 is a timing diagram showing how received pulses overlap when the pulses described in FIG. 3 are transmitted. 本発明の第2の実施形態に係る量子鍵配送システムにおける送信機の構成図である。It is a block diagram of the transmitter in the quantum key distribution system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る量子鍵配送システムにおける送信機の構成図である。It is a block diagram of the transmitter in the quantum key distribution system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100 送信機
106 パルス列
107 光伝送路
110 受信機
111 光分岐手段
112 長経路
113 短経路
114 2×2合波カップラ
115 第1の光子検出器(光子検出器1)
116 第2の光子検出器(光子検出器2)
201 光合波器
202 光非線形素子
203 光フィルタ(ポンプ光阻止フィルタ)
204 Si−APD
300 送信機
301 光源
302 位相変調器
303 偏波変調器
304 減衰手段
305 制御部(CPU1)
306 光パルス列
307 光伝送路
310 受信機
311 光分岐手段(C1)
312 長経路
313 短経路
314 2×2合波カップラ(C2)
315 第1の光子検出器(光子検出器1)
316 第2の光子検出器(光子検出器2)
317 制御部(CPU2)
318 通信路
501 光パルス列
502 光分岐手段
503 長経路
504 短経路
505 偏波回転素子
506 偏波ビームスプリッタ
507 経路
508 光パルス列
601 光パルス列
602 複屈折素子
603 光パルス列
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Transmitter 106 Pulse train 107 Optical transmission line 110 Receiver 111 Optical branching means 112 Long path 113 Short path 114 2 × 2 multiplexing coupler 115 First photon detector (photon detector 1)
116 Second photon detector (photon detector 2)
201 Optical multiplexer 202 Optical nonlinear element 203 Optical filter (pump light blocking filter)
204 Si-APD
DESCRIPTION OF SYMBOLS 300 Transmitter 301 Light source 302 Phase modulator 303 Polarization modulator 304 Attenuating means 305 Control unit (CPU1)
306 Optical pulse train 307 Optical transmission line 310 Receiver 311 Optical branching means (C1)
312 Long path 313 Short path 314 2 × 2 multiplexing coupler (C2)
315 First photon detector (photon detector 1)
316 Second photon detector (photon detector 2)
317 Control unit (CPU2)
318 Communication path 501 Optical pulse train 502 Optical branching means 503 Long path 504 Short path 505 Polarization rotating element 506 Polarization beam splitter 507 Path 508 Optical pulse train 601 Optical pulse train 602 Birefringent element 603 Optical pulse train

Claims (4)

送信機および受信機を備える量子鍵配送システムにおいて、
前記送信機は、
一定の時間間隔のパルスからなる光パルス列を送出する光源と、
前記光源から送出された前記光パルス列を0またはπで位相変調する位相変調器と、
前記位相変調器で位相変調された光パルス列を、1パルスごとに直交する2つの偏波状態として交互に出力する偏波変調手段と、
前記偏波変調手段から出力された光パルス列を、パルス当り平均1光子未満の光パルス列として送出する減衰手段と、
を備えており、
前記受信機は、
前記送信機の前記減衰手段から送出された前記光パルス列を受信し、第1の光パルス列と第2の光パルス列に分岐する分岐手段と、
前記第1の光パルス列を、前記送信機から送られた光パルス列の時間間隔の2倍の時間だけ遅延させる遅延手段と、
前記遅延手段により遅延させられた前記第1の光パルス列と前記第2の光パルス列とを合波し、合波後の光パルスを生成する光合波手段と
前記光合波手段で生成された光パルスの、前記遅延させられた前記第1の光パルス列と前記第2の光パルス列を2パルス分シフトしたパルス間の相対的位相差が0である場合に、光子を検出する第1の光子検出手段と、
前記光合波手段で生成された光パルスの、前記遅延させられた前記第1の光パルス列と前記第2の光パルス列を2パルス分シフトしたパルス間の相対的位相差がπである場合に、光子を検出する第2の光子検出手段と、
前記第1と第2の光子検出手段のうち光子を検出した光子検出手段とその検出時刻とを記録する記録手段と
を備えていることを特徴とする量子鍵配送システム。
In a quantum key distribution system comprising a transmitter and a receiver,
The transmitter is
A light source that transmits an optical pulse train composed of pulses at regular time intervals;
A phase modulator that phase-modulates the optical pulse train transmitted from the light source with 0 or π;
Polarization modulation means for alternately outputting the optical pulse train phase-modulated by the phase modulator as two polarization states orthogonal to each other;
Attenuating means for transmitting the optical pulse train output from the polarization modulation means as an optical pulse train having an average of less than one photon per pulse;
With
The receiver
Branching means for receiving the optical pulse train transmitted from the attenuation means of the transmitter and branching into a first optical pulse train and a second optical pulse train;
Delay means for delaying the first optical pulse train by a time twice as long as the time interval of the optical pulse train sent from the transmitter;
An optical multiplexing unit that multiplexes the first optical pulse train and the second optical pulse train delayed by the delay unit to generate a combined optical pulse; and an optical pulse generated by the optical multiplexing unit First photon detection means for detecting a photon when a relative phase difference between the delayed pulse of the first optical pulse train and the second optical pulse train by two pulses is zero. When,
When the relative phase difference between the delayed pulse of the first optical pulse train and the second optical pulse train of the optical pulse generated by the optical multiplexing means by two pulses is π, Second photon detection means for detecting photons;
A quantum key distribution system comprising: a photon detection unit that detects a photon out of the first and second photon detection units; and a recording unit that records the detection time.
前記偏波変調手段は、前記位相変調器からの光パルス列を分岐し、分岐された一方のパルス列の時間間隔の半分だけ遅延させ、かつ直交する偏波状態に変換し、その変換されたパルス列と分岐された他方のパルス列とを合波することを特徴とする請求項1に記載の量子鍵配送システム。   The polarization modulation unit branches the optical pulse train from the phase modulator, delays it by half the time interval of one of the branched pulse trains, and converts it into an orthogonal polarization state, and the converted pulse train 2. The quantum key distribution system according to claim 1, wherein the other pulse train branched is multiplexed. 前記偏波変調手段は、前記位相変調器からの光パルス列の偏波状態に対して早軸、遅軸が45度になるように配置された複屈折素子を含むことを特徴とする請求項1に記載の量子鍵配送システム。   2. The polarization modulation means includes a birefringence element disposed so that a fast axis and a slow axis are 45 degrees with respect to a polarization state of an optical pulse train from the phase modulator. Quantum key distribution system described in 1. 前記送信機は、所定の長さの光パルス列を前記受信機に送信し、
前記受信機は、光子を検出した光子検出時刻を前記送信機へ通知し、
前記送信機は、自身の位相変調データと前記受信機から受信した前記光子検出時刻とから、前記第1と第2の光子検出手段のうちいずれの光子検出手段が光子を検出したかを判定し、
前記送信機と前記受信機は、光子を検出した事象について、前記第1の光子検出手段による光子検出であればビット「0」を、前記第2の光子検出手段による光子検出であればビット「1」を、付与し、その結果得られた共通のビット値を秘密鍵ビットとする、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の量子鍵配送システム。
The transmitter transmits an optical pulse train of a predetermined length to the receiver;
The receiver notifies the transmitter of the photon detection time when the photon is detected,
The transmitter determines, based on its phase modulation data and the photon detection time received from the receiver, which one of the first and second photon detection means has detected a photon. ,
The transmitter and the receiver have a bit “0” for photon detection by the first photon detection means, and a bit “0” for photon detection by the second photon detection means. 1 ”and the common bit value obtained as a result is used as a secret key bit.
The quantum key distribution system according to any one of claims 1 to 3, wherein
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