JP4595853B2 - 暗号システム、暗号回路及びそれらに用いる暗号制御方法 - Google Patents

Description

本発明は暗号システム、暗号回路及びそれらに用いる暗号制御方法に関し、特に共通暗号鍵を用いた暗号方式において、量子暗号と通常暗号との複合利用方法に関する。

量子暗号鍵配布方法は、送信者と受信者との間で安全に乱数を生成・共有することができる。この量子暗号鍵配布方法では、（１）送信者から受信者へ光信号で乱数情報を送る際、１ビット当たりの光子数が１個以下となるようにして送るため、（２）盗聴者が送信者と受信者との間に分岐を仕掛けた場合、１ビット当たりの光子数が１個以下なので、盗聴者にとられた光子は受信者に届かない。

すなわち、（３）受信者は信号が届かないことによって、盗聴を検出することができる。この場合、（４）送信者と受信者とで共有できるビットは盗聴されていないビットである。ということから、送信者と受信者との間で安全に乱数を生成して共有することができる。

量子暗号方式では、この送信者と受信者との間で作成・共有した乱数をワンタイムパッド法での暗号鍵として利用することによって、情報理論で無条件安全性を達成することができる。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。このワンタイムパッド法に使用する暗号鍵を安全に配送する具体的なプロトコルも提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

上記の提案を契機として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。具体的な量子暗号方式の実現手段については、以下の特許文献１にて提案されている。

特表２０００−５１７４９９号公報 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）］

このように、量子暗号鍵配布方式では、送信者と受信者との間で安全に鍵を生成・共有することが可能であるが、送信者から受信者へ光信号で乱数情報を送る際、１ビット当たりの光子数が１個以下であるので、途中の光伝送路にて多くの光子が消滅し、生成される量子暗号鍵の量が十分でない。

したがって、上述したようなワンタイムパッド法にて、多くの情報を同時に安全に暗号化しようとしても、暗号化する情報の量が量子暗号鍵の量によって制限されるという問題がある。

そこで、本発明の目的は上記の問題点を解消し、重要度の低い情報の暗号化にワンタイムパッド暗号を施して量子暗号鍵が消費されることを防止することができる暗号システム、暗号回路及びそれらに用いる暗号制御方法を提供することにある。

本発明による暗号システムは、送信者端末と受信者端末との間において情報を暗号化して伝送する暗号システムであって、
前記送信者端末は、通信文と同じ長さの暗号鍵を用いかつ該暗号鍵を１回で使い捨てるワンタイムパッド法にて前記情報の暗号化を行うワンタイムパッド暗号回路と、
前記ワンタイムパッド法以外の暗号法にて前記情報の暗号化を行う通常暗号回路と、
前記情報を前記ワンタイムパッド暗号回路にて暗号化し、前記情報を前記受信者端末に伝送している間に前記情報よりも重要度が高い情報が前記送信者端末に入力されたことに応じて、前記ワンタイムパッド暗号回路にて暗号化されていた情報を前記通常暗号回路にて暗号化するように切替え、かつ前記重要度が高い情報を前記ワンタイムパッド暗号回路にて暗号化するように制御する制御回路とを備えている。

本発明による暗号回路は、伝送路で接続される送信者端末及び受信者端末各々に設けられかつ前記送信者端末と前記受信者端末との間を伝送される情報を暗号化する暗号回路であって、
前記送信者端末において、通信文と同じ長さの暗号鍵を用いかつ該暗号鍵を１回で使い捨てるワンタイムパッド法にて前記情報の暗号化を行うワンタイムパッド暗号回路と、前記ワンタイムパッド法以外の暗号法にて前記情報の暗号化を行う通常暗号回路と、前記情報を前記ワンタイムパッド暗号回路にて暗号化し、前記情報を前記受信者端末に伝送している間に前記情報よりも重要度が高い情報が前記送信者端末に入力されたことに応じて、前記ワンタイムパッド暗号回路にて暗号化されていた情報を前記通常暗号回路にて暗号化するように切替え、かつ前記重要度が高い情報を前記ワンタイムパッド暗号回路にて暗号化するように制御する制御回路とを備えている。

本発明による暗号制御方法は、送信者端末と受信者端末との間において情報を暗号化して伝送する暗号システムに用いられる暗号制御方法であって、
前記送信者端末において、通信文と同じ長さの暗号鍵を用いかつ該暗号鍵を１回で使い捨てるワンタイムパッド法にて前記情報の暗号化を行う第１の処理と、前記ワンタイムパッド法以外の暗号法にて前記情報の暗号化を行う第２の処理と、前記情報を前記第１の処理にて暗号化し、前記情報を前記受信者端末に伝送している間に前記情報よりも重要度が高い情報が前記送信者端末に入力されたことに応じて、前記第１の処理にて暗号化されていた情報を前記第２の処理にて暗号化するように切替え、かつ前記重要度が高い情報を前記第１の処理にて暗号化するように制御する第３の処理とを含むことを特徴とする。

すなわち、本発明の暗号回路は、入力される情報の重要度に応じて、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を特徴とするワンタイムパッド暗号と通常暗号［ワンタイムパッド暗号以外の暗号方法で、例えば、ＡＥＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）等の暗号方法］とを併用することで、重要度の低い情報の暗号化によって量子暗号鍵が消費されることを防止し、量子暗号鍵を有効利用することを可能としている。

より具体的に説明すると、本発明の暗号回路は、伝送路によって接続される送信者端末及び受信者端末各々に設けられており、送信者端末及び受信者端末のいずれにおいても、量子鍵発生回路と鍵蓄積回路とワンタイムパッド暗号回路と通常暗号回路とから構成されている。送信者端末には、入力された信号をワンタイムパッド暗号回路または通常暗号回路のいずれかに切替えて入力する手段があり、受信者端末にはワンタイムパッド暗号回路または通常暗号回路のいずれかの出力を選択する手段がある。

本発明の暗号回路では、上記のような構成をとり、ワンタイムパッド暗号回路が一度に１つの信号しか暗号化することができなくとも、重要度の高い信号が入力された時間だけワンタイムパッド暗号を行い、その間、重要度の低い情報に対して通常暗号を用いることによって、重要度の低い情報の暗号化にワンタイムパッド暗号を施して量子暗号鍵が消費されることを防止することが可能となる。

本発明は、上記のような構成及び動作とすることで、重要度の低い情報の暗号化にワンタイムパッド暗号を施して量子暗号鍵が消費されることを防止することができるという効果が得られる。

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施例による暗号システムの構成を示すブロック図である。図１において、本発明の一実施例による暗号システムは送信者端末１と受信者端末２とからなる。

送信者端末１は量子鍵発生回路１１と、鍵蓄積回路１２と、制御回路１３と、スイッチ（ＳＷ）１４，１５と、ワンタイムパッド暗号回路１６と、通常暗号回路１７とからなる暗号回路を備えている。また、受信者端末２は量子鍵発生回路２１と、鍵蓄積回路２２と、制御回路２３と、ワンタイムパッド暗号回路２４と、通常暗号回路２５と、スイッチ２６，２７とからなる暗号回路を備えている。

送信者端末１に入力された入力信号Ａ，Ｂは暗号符号化され、受信者端末２に送られて暗号復合され、出力信号Ａ，Ｂとして出力される。この場合、スイッチ１４に入力される入力信号Ａよりもスイッチ１５に入力される入力信号Ｂの方が重要度が高い情報が含まれているものとする。つまり、スイッチ１４には重要度が低い情報が入力され、スイッチ１５には重要度が高い情報が入力されるように予め設定されている。

送信者端末１内の量子鍵発生回路１１と受信者端末２内の量子鍵発生回路２１とは伝送路１０１によって接続されており、同じ量子鍵を生成する。量子鍵発生回路１１で生成された量子鍵は鍵蓄積回路１２に一時保存され、量子鍵発生回路２１で生成された量子鍵は鍵蓄積回路２２に一時保存される。

入力信号Ａは制御回路１３で制御されるスイッチ１４によってワンタイムパッド暗号回路１６または通常暗号回路１７に入力される。入力信号Ｂも制御回路１３で制御されるスイッチ１５によってワンタイムパッド暗号回路１６または通常暗号回路１７に入力される。ワンタイムパッド暗号回路１６の暗号符号化出力信号はワンタイムパッド暗号伝送路１０３によって受信者端末２内のワンタイムパッド暗号回路２４に伝えられて暗号復号される。通常暗号回路１７の暗号符号化出力信号は通常暗号伝送路１０４によって受信者端末２内の通常暗号回路２５に伝えられて暗号復号される。

ワンタイムパッド暗号回路２４の出力はスイッチ２６，２７に入力される。通常暗号回路２５の出力もスイッチ２６，２７に入力される。送信者端末１内の制御回路１３からは制御信号伝送路１０２経由で受信者端末２内の制御回路２３に情報が伝達されるので、制御回路２３によってスイッチ２６，２７が切替られ、出力信号Ａ，Ｂにはワンタイムパッド暗号回路２４または通常暗号回路２５の暗号復号信号のいずれかが出力される。

ここで、ワンタイムパッド暗号回路１６，２４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を特徴とするワンタイムパッド法にて情報の暗号化を行い、通常暗号回路１７，２５は、例えば、ＡＥＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）等を用いた暗号法にて情報の暗号化を行う。

図２は本発明の一実施例による暗号システムの暗号化処理を示すシーケンスチャートである。これら図１及び図２を参照して本発明の一実施例による暗号システムの暗号化処理について説明する。

重要度の低い入力信号Ａは、時刻ｔ１から時刻ｔ４まで送信者端末１へ入力される。重要度の高い入力信号Ｂは、時刻ｔ１より遅い時刻ｔ２から、時刻ｔ４より早い時刻ｔ３まで送信者端末１へ入力される。

ここで、制御回路１３は重要度が高い情報がスイッチ１５に入力されていなければ、スイッチ１４に入力された情報をワンタイムパッド暗号回路１６に入力するように制御する。

また、制御回路１３はスイッチ１５に重要度が高い情報が入力されると、ただちにスイッチ１４を切替え、スイッチ１４に入力された情報を通常暗号回路１７に入力させ、スイッチ１５に入力された情報をワンタイムパッド暗号回路１６に入力するように制御する。

制御回路１３はスイッチ１５への情報の入力が終了すると、最初の状態に戻って、スイッチ１４に入力された情報をワンタイムパッド暗号回路１６に入力するように制御する。

したがって、ワンタイムパッド暗号回路１６には、時刻ｔ１から時刻ｔ２までスイッチ１４によって入力信号Ａの一部Ａ１が入力されるが、時刻ｔ２からは制御回路１３によってスイッチ１４が切替えられ、入力信号Ａの一部Ａ２が通常暗号回路１７へ入力されるとともに、入力信号Ｂがワンタイムパッド暗号回路１６へ入力される。

時刻ｔ３になると、入力信号Ｂのスイッチ１５への入力が終了するので、スイッチ１４が再び制御回路１３によって切替えられ、入力信号Ａの一部Ａ３が時刻ｔ４までワンタイムパッド暗号回路１６へ入力される。

このように、ワンタイムパッド暗号回路１６には、時刻ｔ１から時刻ｔ２まで入力信号Ａの一部Ａ１が、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで入力信号Ｂが、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで入力信号Ａの一部Ａ３がそれぞれ入力され、通常暗号回路１７には、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間のみ入力信号Ａの一部Ａ２が入力される。

ワンタイムパッド暗号回路１６及び通常暗号回路１７でそれぞれ暗号符号化された信号はワンタイムパッド暗号伝送路１０３及び通常暗号伝送路１０４経由でワンタイムパッド暗号回路２４及び通常暗号回路２５に到着し、それぞれワンタイムパッド暗号回路２４及び通常暗号回路２５にて暗号復号されて出力される。

ワンタイムパッド暗号回路２４の復号出力は時刻ｔ１から時刻ｔ２まで入力信号Ａの一部Ａ１、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで入力信号Ｂ、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで入力信号Ａの一部Ａ３となる。通常暗号回路２５の復号出力は時刻ｔ２から時刻ｔ３の間のみ入力信号Ａの一部Ａ２となる。

スイッチ２６が制御回路２３によって時刻ｔ２から時刻ｔ３まで切替えられることによって、受信者端末２の出力信号ＡはＡ１，Ａ２，Ａ３からなる入力信号Ａが再生される。一方、出力信号Ｂは時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間、ワンタイムパッド暗号回路２４の復号出力がスイッチ２７経由で接続され、入力信号Ｂが再生される。

このように、本実施例では、ワンタイムパッド暗号回路１６が一度に１つの信号しか暗号化することができなくとも、重要度の高い信号が入力された時間だけワンタイムパッド暗号を行い、その間、重要度の低い情報に通常暗号を用いることによって、重要度の低い情報の暗号化にワンタイムパッド暗号を施して量子暗号鍵が消費されることを防止することができる。

図３は本発明の他の実施例による暗号システムの構成を示すブロック図である。図３において、本発明の他の実施例による暗号システムでは、送信者端末１ａ及び受信者端末２ａにおいて、通常暗号回路１７，２５にそれぞれ量子鍵蓄積回路１２，２２からシード鍵を与えるようにした以外は図１に示す本発明の一実施例による暗号システムと同様の構成となっており、同一構成要素には同一符号を付してある。

本実施例では、量子鍵を、擬似乱数に用いられるシード鍵として利用することによって、通常暗号の暗号強度を強化することができる。この場合、シード鍵は少量であるので、このような構成をとっても、ワンタイムパッド暗号回路１６，２４の処理能力の減少は微小であり、上述した本発明の一実施例と同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施例による暗号システムの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施例による暗号システムの暗号化処理を示すシーケンスチャートである。 本発明の他の実施例による暗号システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，１ａ 送信者端末
２，２ａ 受信者端末
１１，２１ 量子鍵発生回路
１２，２２ 鍵蓄積回路
１３，２３ 制御回路
１４，１５，
２６，２７ スイッチ
１６，２４ ワンタイムパッド暗号回路
１７，２５ 通常暗号回路
１０１ 伝送路
１０２ 制御信号伝送路
１０３ ワンタイムパッド暗号伝送路
１０４ 通常暗号伝送路

Claims (18)

1. 送信者端末と受信者端末との間において情報を暗号化して伝送する暗号システムであって、
   前記送信者端末は、通信文と同じ長さの暗号鍵を用いかつ該暗号鍵を１回で使い捨てるワンタイムパッド法にて前記情報の暗号化を行うワンタイムパッド暗号回路と、
   前記ワンタイムパッド法以外の暗号法にて前記情報の暗号化を行う通常暗号回路と、
   前記情報を前記ワンタイムパッド暗号回路にて暗号化し、前記情報を前記受信者端末に伝送している間に前記情報よりも重要度が高い情報が前記送信者端末に入力されたことに応じて、前記ワンタイムパッド暗号回路にて暗号化されていた情報を前記通常暗号回路にて暗号化するように切替え、かつ前記重要度が高い情報を前記ワンタイムパッド暗号回路にて暗号化するように制御する制御回路とを有することを特徴とする暗号システム。
2. 前記制御回路は、前記重要度の高い情報の入力が終了したことに応じて前記通常暗号回路にて暗号化されていた情報を前記ワンタイムパッド暗号回路にて暗号化するように切替えることを特徴とする請求項１記載の暗号システム。
3. ワンタイムパッド暗号及び前記ワンタイムパッド暗号以外の暗号に用いられる暗号鍵が量子暗号鍵配布法によって生成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の暗号システム。
4. 前記送信者端末及び前記受信者端末は、量子鍵を発生する量子鍵発生回路と、その発生した量子鍵を蓄積する鍵蓄積回路と、前記ワンタイムパッド暗号回路と、前記通常暗号回路とからなる暗号回路を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか記載の暗号システム。
5. 前記送信者端末は、入力された信号を前記ワンタイムパッド暗号回路及び前記通常暗号回路のいずれかに切替えて入力する手段を含み、
   前記受信者端末は、前記ワンタイムパッド暗号回路及び前記通常暗号回路のいずれかの出力を選択する手段を含むことを特徴とする請求項４記載の暗号システム。
6. 前記ワンタイムパッド暗号以外の暗号は、少なくともＡＥＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか記載の暗号システム。
7. 伝送路で接続される送信者端末及び受信者端末各々に設けられかつ前記送信者端末と前記受信者端末との間を伝送される情報を暗号化する暗号回路であって、
   前記送信者端末において、通信文と同じ長さの暗号鍵を用いかつ該暗号鍵を１回で使い捨てるワンタイムパッド法にて前記情報の暗号化を行うワンタイムパッド暗号回路と、前記ワンタイムパッド法以外の暗号法にて前記情報の暗号化を行う通常暗号回路と、前記情報を前記ワンタイムパッド暗号回路にて暗号化し、前記情報を前記受信者端末に伝送している間に前記情報よりも重要度が高い情報が前記送信者端末に入力されたことに応じて、前記ワンタイムパッド暗号回路にて暗号化されていた情報を前記通常暗号回路にて暗号化するように切替え、かつ前記重要度が高い情報を前記ワンタイムパッド暗号回路にて暗号化するように制御する制御回路とを有することを特徴とする暗号回路。
8. 前記制御回路は、前記重要度の高い情報の入力が終了したことに応じて前記通常暗号回路にて暗号化されていた情報を前記ワンタイムパッド暗号回路にて暗号化するように切替えることを特徴とする請求項７記載の暗号回路。
9. ワンタイムパッド暗号及び前記ワンタイムパッド暗号以外の暗号に用いられる暗号鍵が量子暗号鍵配布法によって生成されることを特徴とする請求項７または請求項８記載の暗号回路。
10. 量子鍵を発生する量子鍵発生回路と、その発生した量子鍵を蓄積する鍵蓄積回路と、前記ワンタイムパッド暗号回路と、前記通常暗号回路とからなることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか記載の暗号回路。
11. 前記送信者端末において、入力された信号を前記ワンタイムパッド暗号回路及び前記通常暗号回路のいずれかに切替えて入力する手段を含み、
    前記受信者端末において、前記ワンタイムパッド暗号回路及び前記通常暗号回路のいずれかの出力を選択する手段を含むことを特徴とする請求項１０記載の暗号回路。
12. 前記ワンタイムパッド法以外の暗号は、少なくともＡＥＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）を含むことを特徴とする請求項７から請求項１１のいずれか記載の暗号回路。
13. 送信者端末と受信者端末との間において情報を暗号化して伝送する暗号システムに用いられる暗号制御方法であって、
    前記送信者端末において、通信文と同じ長さの暗号鍵を用いかつ該暗号鍵を１回で使い捨てるワンタイムパッド法にて前記情報の暗号化を行う第１の処理と、前記ワンタイムパッド法以外の暗号法にて前記情報の暗号化を行う第２の処理と、前記情報を前記第１の処理にて暗号化し、前記情報を前記受信者端末に伝送している間に前記情報よりも重要度が高い情報が前記送信者端末に入力されたことに応じて、前記第１の処理にて暗号化されていた情報を前記第２の処理にて暗号化するように切替え、かつ前記重要度が高い情報を前記第１の処理にて暗号化するように制御する第３の処理とを含むことを特徴とする暗号制御方法。
14. 前記第３の処理において、前記重要度の高い情報の入力が終了したことに応じて前記第２の処理にて暗号化されていた情報を前記第１の処理にて暗号化するように切替えることを特徴とする請求項１３記載の暗号制御方法。
15. ワンタイムパッド暗号及び前記ワンタイムパッド暗号以外の暗号に用いられる暗号鍵が量子暗号鍵配布法によって生成されることを特徴とする請求項１３または請求項１４記載の暗号制御方法。
16. 前記送信者端末及び前記受信者端末各々に、量子鍵を発生する量子鍵発生回路と、その発生した量子鍵を蓄積する鍵蓄積回路と、前記第１の処理を行うワンタイムパッド暗号回路と、前記第２の処理を行う通常暗号回路とからなる暗号回路を設けたことを特徴とする請求項１３から請求項１５のいずれか記載の暗号制御方法。
17. 前記送信者端末において、入力された信号を前記ワンタイムパッド暗号回路及び前記通常暗号回路のいずれかに切替えて入力し、
    前記受信者端末において、前記ワンタイムパッド暗号回路及び前記通常暗号回路のいずれかの出力を選択することを特徴とする請求項１６記載の暗号制御方法。
18. 前記ワンタイムパッド法以外の暗号は、少なくともＡＥＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）を含むことを特徴とする請求項１３から請求項１７のいずれか記載の暗号制御方法。

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