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JP6910994B2 - Communication equipment, communication methods, programs and communication systems - Google Patents
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Description

本発明の実施形態は、通信装置、通信方法、プログラムおよび通信システムに関する。 Embodiments of the present invention relate to communication devices, communication methods, programs and communication systems.

情報通信技術の進展により多様なデータがやり取りされるようになり、送信する情報の秘匿性および安全性の確保が大きな課題となっている。その中でも、コンピュータの計算能力が向上しても解読できない暗号技術として量子暗号通信技術があり、実用化が期待されている。 With the progress of information and communication technology, various data have come to be exchanged, and ensuring the confidentiality and safety of the information to be transmitted has become a major issue. Among them, quantum cryptography communication technology is expected to be put into practical use as a cryptographic technology that cannot be deciphered even if the computing power of a computer is improved.

量子暗号通信装置には、鍵情報を干渉計で生じる2つのパルスの位相差にエンコードするタイプ(位相エンコード型)、および、光子の偏光にエンコードするタイプなどがある。位相エンコード型の量子暗号通信装置として、受信装置(受信機)側の干渉計において偏光による光路選択を利用して鍵の生成速度を改善する装置が提案されている。通信路の温度変化や振動により発生する偏光の回転を補正することで、光路選択を安定的に行うことができる。 Quantum cryptography communication devices include a type that encodes key information into the phase difference between two pulses generated by an interferometer (phase encoding type) and a type that encodes into the polarization of photons. As a phase-encoded quantum cryptography communication device, a device for improving the key generation speed by utilizing an optical path selection by polarization in an interferometer on the receiving device (receiver) side has been proposed. By correcting the rotation of polarized light generated by the temperature change and vibration of the communication path, the optical path selection can be performed stably.

英国特許第2399220号明細書UK Pat. No. 2399220 英国特許第2404103号明細書UK Pat. No. 2,404103

しかしながら、偏光の回転を補正する場合、従来技術では、強風などにより通信路に大きく速い外乱が生じたときの迅速な偏光変化の補正(偏光補正)、および、外乱が生じていない定常時の偏光補正の安定化が両立されていなかった。 However, when correcting the rotation of polarized light, in the prior art, rapid correction of polarized light change (polarized light correction) when a large and fast disturbance occurs in the communication path due to strong wind or the like, and polarization in a steady state where no disturbance occurs. Stabilization of correction was not compatible.

実施形態の通信装置は、推定部と、決定部と、を備える。推定部は、量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する。決定部は、偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する。 The communication device of the embodiment includes an estimation unit and a determination unit. The estimation unit estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication. The determination unit is a condition used for estimating the amount of rotation of polarized light, and determines the observation condition regarding the observed amount of photons.

第1の実施形態の通信システムの機能ブロック図。The functional block diagram of the communication system of 1st Embodiment. 第1の実施形態の光子送信部および光子受信部の機能ブロック図。The functional block diagram of the photon transmitting part and the photon receiving part of 1st Embodiment. 第1の実施形態の制御部の機能ブロック図。The functional block diagram of the control part of the 1st Embodiment. 第1の実施形態における制御処理のフローチャート。The flowchart of the control process in 1st Embodiment. 変形例1の光子送信部および光子受信部の機能ブロック図。FIG. 5 is a functional block diagram of a photon transmitting unit and a photon receiving unit of the first modification. 第2の実施形態の光子送信部および光子受信部の機能ブロック図。The functional block diagram of the photon transmitter and the photon receiver of the second embodiment. 第2の実施形態の制御部の機能ブロック図。The functional block diagram of the control part of the 2nd Embodiment. 第2の実施形態における通信処理のフローチャート。The flowchart of communication processing in 2nd Embodiment. 第2の実施形態における制御処理のフローチャート。The flowchart of the control process in 2nd Embodiment. 第3の実施形態の光子送信部および光子受信部の機能ブロック図。The functional block diagram of the photon transmitting unit and the photon receiving unit of the third embodiment. 第3の実施形態の制御部の機能ブロック図。The functional block diagram of the control part of the 3rd Embodiment. 第3の実施形態における制御処理のフローチャート。The flowchart of the control process in 3rd Embodiment. 第1〜第3の実施形態の装置の主要部のハードウェア構成図。The hardware block diagram of the main part of the apparatus of 1st to 3rd Embodiment.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる通信装置の好適な実施形態を詳細に説明する。 A preferred embodiment of the communication device according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

(第1の実施形態)
従来技術では、偏光を補正するための信号の観測時間が一定である。このため、外乱時の迅速な偏光変化の補正、および、定常時の偏光補正の安定化が両立されていなかった。第1の実施形態の通信システムは、偏光による光路選択により高い鍵配送速度が得られるようにした位相エンコード型の量子暗号通信システムである。第1の実施形態では、外乱などにより偏光の回転が速く大きく生じた場合に観測時間を短く、すなわち制御周期を短くする。これにより、外乱時の迅速な偏光補正と、定常時の安定的な偏光補正を両立することが可能となる。また、外乱時のみ制御周期を短くすることで、不必要なまでに頻繁な制御による装置への負担も軽減できる。なお定常時とは、偏光の回転が生じていない状態、または、偏光の回転が所定の範囲内である状態をいう。
(First Embodiment)
In the prior art, the observation time of the signal for correcting the polarization is constant. Therefore, the rapid correction of the polarization change at the time of disturbance and the stabilization of the polarization correction at the steady state are not compatible. The communication system of the first embodiment is a phase-encoded quantum cryptography communication system in which a high key distribution speed can be obtained by optical path selection by polarization. In the first embodiment, when the rotation of polarized light is fast and large due to disturbance or the like, the observation time is shortened, that is, the control cycle is shortened. This makes it possible to achieve both rapid polarization correction during disturbance and stable polarization correction during steady operation. Further, by shortening the control cycle only during a disturbance, it is possible to reduce the burden on the device due to unnecessarily frequent control. The steady state means a state in which the rotation of polarized light does not occur, or a state in which the rotation of polarized light is within a predetermined range.

次に、第1の実施形態の通信システムの構成例について説明する。図1は、第1の実施形態の通信システムの機能構成例を示すブロック図である。図1に示すように、通信システムは、送信装置100と、受信装置200(通信装置の一例)とが、量子通信路11および古典通信路12を介して接続された構成となっている。 Next, a configuration example of the communication system of the first embodiment will be described. FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration example of the communication system of the first embodiment. As shown in FIG. 1, the communication system has a configuration in which a transmitting device 100 and a receiving device 200 (an example of a communication device) are connected via a quantum communication path 11 and a classical communication path 12.

まず送信装置100について説明する。送信装置100は、光子送信部110と、鍵生成部120と、記憶部131と、を備えている。 First, the transmission device 100 will be described. The transmission device 100 includes a photon transmission unit 110, a key generation unit 120, and a storage unit 131.

光子送信部110は、量子暗号通信に用いる光子を受信装置200に送信する。例えば光子送信部110は、量子鍵配送(QKD:Quantum Key Distribution)技術により暗号鍵を共有するために用いる、量子信号を示す光子を送信する。量子鍵配送は、光ファイバにより接続された送信装置100と受信装置200との間で連続的に送信された単一光子を利用して、安全に暗号鍵を共有する技術である。光子送信部110の機能の詳細は後述する。 The photon transmission unit 110 transmits photons used for quantum cryptography communication to the receiving device 200. For example, the photon transmission unit 110 transmits a photon indicating a quantum signal used for sharing an encryption key by a quantum key distribution (QKD) technique. Quantum key distribution is a technique for securely sharing an encryption key by using a single photon continuously transmitted between a transmitting device 100 and a receiving device 200 connected by an optical fiber. Details of the function of the photon transmitter 110 will be described later.

鍵生成部120は、光子送信部110の動作を制御し、暗号鍵を生成する。例えば鍵生成部120は、量子鍵配送のシフティング処理、誤り訂正処理、および、秘匿性増強処理を実行し、受信装置200との間で共有する暗号鍵を生成する。 The key generation unit 120 controls the operation of the photon transmission unit 110 to generate an encryption key. For example, the key generation unit 120 executes a quantum key distribution shifting process, an error correction process, and an confidentiality enhancement process to generate an encryption key to be shared with the receiving device 200.

記憶部131は、送信装置100で実行される各種処理で用いられる各種情報を記憶する。例えば記憶部131は、秘匿性増強処理によって生成された暗号鍵情報を記憶する。 The storage unit 131 stores various information used in various processes executed by the transmission device 100. For example, the storage unit 131 stores the encryption key information generated by the confidentiality enhancement processing.

次に、受信装置200について説明する。受信装置200は、光子受信部210と、鍵生成部220と、記憶部231と、を備えている。 Next, the receiving device 200 will be described. The receiving device 200 includes a photon receiving unit 210, a key generating unit 220, and a storage unit 231.

光子受信部210は、量子暗号通信に用いる光子を送信装置100から受信する。例えば光子受信部210は、量子鍵配送技術により暗号鍵を共有するために用いる、量子信号を示す光子を受信する。光子受信部210の機能の詳細は後述する。 The photon receiving unit 210 receives photons used for quantum cryptography communication from the transmitting device 100. For example, the photon receiving unit 210 receives a photon indicating a quantum signal used for sharing an encryption key by a quantum key distribution technique. Details of the function of the photon receiver 210 will be described later.

鍵生成部220は、光子受信部210の動作を制御、及び受信した光子の情報を元に暗号鍵を生成する。例えば鍵生成部220は、量子鍵配送のシフティング処理、誤り訂正処理、および、秘匿性増強処理を実行し、送信装置100との間で共有する暗号鍵を生成する。 The key generation unit 220 controls the operation of the photon receiving unit 210 and generates an encryption key based on the received photon information. For example, the key generation unit 220 executes a quantum key distribution shifting process, an error correction process, and a confidentiality enhancement process to generate an encryption key to be shared with the transmission device 100.

記憶部231は、受信装置200で実行される各種処理で用いられる各種情報を記憶する。例えば記憶部231は、秘匿性増強処理によって生成された暗号鍵情報を記憶する。 The storage unit 231 stores various information used in various processes executed by the receiving device 200. For example, the storage unit 231 stores the encryption key information generated by the confidentiality enhancement processing.

量子通信路11は、光子の伝送経路(光通信路)である。量子通信路11は、光ファイバに限られず、自由空間であってもよい。古典通信路12は、例えば送信装置100と受信装置200との間の同期を取るための制御情報などの送受信に用いられる。古典通信路12は、通常、量子通信路11とは別の光ファイバを使用する。量子通信路11および古典通信路12は、標準的なシングルモード光ファイバがよく用いられるが、マルチモード光ファイバが用いられてもよい。 The quantum communication path 11 is a photon transmission path (optical communication path). The quantum communication path 11 is not limited to the optical fiber and may be a free space. The classical communication path 12 is used, for example, for transmitting and receiving control information for synchronizing between the transmitting device 100 and the receiving device 200. The classical channel 12 usually uses an optical fiber different from that of the quantum channel 11. A standard single-mode optical fiber is often used for the quantum communication path 11 and the classical communication path 12, but a multimode optical fiber may be used.

上記各部(鍵生成部120、鍵生成部220)は、例えば、1または複数のプロセッサにより実現される。例えば上記各部は、CPU(Central Processing Unit)などのプロセッサにプログラムを実行させること、すなわちソフトウェアにより実現してもよい。上記各部は、専用のIC(Integrated Circuit)などのプロセッサ、すなわちハードウェアにより実現してもよい。上記各部は、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。複数のプロセッサを用いる場合、各プロセッサは、各部のうち1つを実現してもよいし、各部のうち2以上を実現してもよい。 Each of the above units (key generation unit 120, key generation unit 220) is realized by, for example, one or a plurality of processors. For example, each of the above parts may be realized by causing a processor such as a CPU (Central Processing Unit) to execute a program, that is, by software. Each of the above parts may be realized by a processor such as a dedicated IC (Integrated Circuit), that is, hardware. Each of the above parts may be realized by using software and hardware in combination. When a plurality of processors are used, each processor may realize one of each part, or may realize two or more of each part.

記憶部131、231は、フラッシュメモリ、メモリカード、RAM(Random Access Memory)、HDD(Hard Disk Drive)、および、光ディスクなどの一般的に利用されているあらゆる記憶媒体により構成することができる。 The storage units 131 and 231 can be composed of any commonly used storage medium such as a flash memory, a memory card, a RAM (Random Access Memory), an HDD (Hard Disk Drive), and an optical disk.

次に、光子送信部110および光子受信部210の詳細について説明する。図2は、光子送信部110および光子受信部210の機能構成例を示すブロック図である。 Next, the details of the photon transmitting unit 110 and the photon receiving unit 210 will be described. FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration example of the photon transmitting unit 110 and the photon receiving unit 210.

光子送信部110は、無偏光光源101と、偏光ビームスプリッタ102と、位相変調器103と、合波器104と、遅延回路105と、を備えている。 The photon transmitter 110 includes an unpolarized light source 101, a polarization beam splitter 102, a phase modulator 103, a combiner 104, and a delay circuit 105.

無偏光光源101は、量子信号となる、無偏光の光(光子)を放出する光源である。 The unpolarized light source 101 is a light source that emits unpolarized light (photons) that becomes a quantum signal.

偏光ビームスプリッタ102は、無偏光光源101から放出された光を、偏光が相互に異なる2つの光に分割する。例えば偏光ビームスプリッタ102は、第1の偏光を持つ光子を第1の光路に送り、第1の偏光と直交する第2の偏光を持つ光子を第2の光路に送る。第1の光路は、位相変調器103を含む光路である。第2の光路は、遅延回路105を含む光路である。 The polarization beam splitter 102 splits the light emitted from the unpolarized light source 101 into two lights having different polarizations. For example, the polarization beam splitter 102 sends a photon having a first polarization to a first optical path and a photon having a second polarization orthogonal to the first polarization to a second optical path. The first optical path is an optical path including the phase modulator 103. The second optical path is an optical path including the delay circuit 105.

位相変調器103は、第1の光路に進んだ光子の位相を変調する。例えば位相変調器103は、鍵生成部120からの指示に従い、第2の光路へ進んだ光子に対して4通りの位相差からランダムに選択された位相差を有するように光子の位相を変調する。 The phase modulator 103 modulates the phase of the photon that has advanced to the first optical path. For example, the phase modulator 103 modulates the phase of a photon so as to have a phase difference randomly selected from four types of phase differences with respect to a photon traveling to the second optical path according to an instruction from the key generation unit 120. ..

遅延回路105は、第2の光路に進んだ光子を遅延させて合波器104に到達させるための回路である。 The delay circuit 105 is a circuit for delaying a photon that has advanced to the second optical path to reach the combiner 104.

合波器104は、第1の光路および第2の光路を進んだ光子を合波して出力する。 The combiner 104 combines and outputs photons that have traveled through the first optical path and the second optical path.

偏光ビームスプリッタ102、位相変調器103、合波器104、および、遅延回路105は、光に情報をエンコードするための干渉計に相当する。 The polarizing beam splitter 102, the phase modulator 103, the combiner 104, and the delay circuit 105 correspond to an interferometer for encoding information into light.

光子受信部210は、偏光回転装置201と、偏光ビームスプリッタ202と、位相変調器203と、遅延回路204と、ビームスプリッタ205と、光子検出器206、207と、制御部208と、を備えている。 The photon receiving unit 210 includes a polarization rotating device 201, a polarization beam splitter 202, a phase modulator 203, a delay circuit 204, a beam splitter 205, photon detectors 206 and 207, and a control unit 208. There is.

偏光回転装置201は、量子通信路11で発生した偏光の回転を補正する。例えば偏光回転装置201は、制御部208からの制御信号に従い、偏光の回転を補正する。 The polarization rotating device 201 corrects the rotation of polarized light generated in the quantum communication path 11. For example, the polarization rotation device 201 corrects the rotation of polarization according to the control signal from the control unit 208.

偏光ビームスプリッタ202は、第1の偏光を持つ光子を第3の光路に送り、第2の偏光を持つ光子を第4の光路へ送る。第3の光路は、遅延回路204を含む光路である。第4の光路は、位相変調器203を含む光路である。 The polarization beam splitter 202 sends a photon having a first polarization to a third optical path and a photon having a second polarization to a fourth optical path. The third optical path is an optical path including the delay circuit 204. The fourth optical path is an optical path including the phase modulator 203.

位相変調器203は、第4の光路に進んだ光子の位相を変調する。例えば位相変調器203は、鍵生成部220からの指示に従い、2通りの位相からランダムに選択された位相分、光子の位相を変調する。 The phase modulator 203 modulates the phase of the photon that has advanced to the fourth optical path. For example, the phase modulator 203 modulates the phase of a photon by a phase randomly selected from two phases according to an instruction from the key generation unit 220.

遅延回路204は、第3の光路に進んだ光子を遅延させてビームスプリッタ205に到達させるための回路である。 The delay circuit 204 is a circuit for delaying a photon that has traveled to the third optical path to reach the beam splitter 205.

ビームスプリッタ205は、第3の光路へ進んだ光子と第4の光路へ進んだ光子との干渉結果に応じて、光子の光路を選択する。例えばビームスプリッタ205は、干渉した光子を光子検出器206に送り、干渉しない光子を光子検出器207に送る。 The beam splitter 205 selects the optical path of the photon according to the result of interference between the photon that has traveled to the third optical path and the photon that has traveled to the fourth optical path. For example, the beam splitter 205 sends the interfering photons to the photon detector 206 and the non-interfering photons to the photon detector 207.

偏光ビームスプリッタ202、位相変調器203、遅延回路204、および、ビームスプリッタ205は、光の情報を読み出し可能な状態へ変化させる干渉計に相当する。 The polarizing beam splitter 202, the phase modulator 203, the delay circuit 204, and the beam splitter 205 correspond to an interferometer that changes light information into a readable state.

光子検出器206、207は、光子を検出して、光の状態を読み出す。光子検出器206、207による検出結果である観測信号は、制御部208に出力される。 The photon detectors 206 and 207 detect the photon and read the state of light. The observation signal, which is the detection result of the photon detectors 206 and 207, is output to the control unit 208.

制御部208は、観測信号の情報を鍵生成部220に出力し、さらに偏光回転装置201による偏光の回転の補正を制御する。例えば制御部208は、光子検出器206、207から観測信号を入力し、鍵生成部220へと出力する。さらに、観測信号から偏光回転量を推定する。制御部208は、推定結果に応じて、回転の補正制御に用いる制御条件を偏光回転装置201へ出力する。制御部208は、観測信号から次の推定に用いる観測条件を決定する。 The control unit 208 outputs the information of the observation signal to the key generation unit 220, and further controls the correction of the rotation of the polarized light by the polarization rotating device 201. For example, the control unit 208 inputs observation signals from the photon detectors 206 and 207 and outputs them to the key generation unit 220. Furthermore, the amount of polarization rotation is estimated from the observed signal. The control unit 208 outputs the control conditions used for the rotation correction control to the polarization rotation device 201 according to the estimation result. The control unit 208 determines the observation conditions to be used for the next estimation from the observation signal.

図3は、制御部208の詳細な機能構成の一例を示すブロック図である。図3に示すように、制御部208は、偏光推定部251と、偏光補正出力部252と、条件決定部253と、信号出力部254と、を備えている。 FIG. 3 is a block diagram showing an example of a detailed functional configuration of the control unit 208. As shown in FIG. 3, the control unit 208 includes a polarization estimation unit 251, a polarization correction output unit 252, a condition determination unit 253, and a signal output unit 254.

偏光推定部251は、量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する。例えば偏光推定部251は、量子暗号通信に用いる光子の観測量(一定時間観測した光子数など)の変化に基づいて、偏光回転量を推定する。 The polarization estimation unit 251 estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication. For example, the polarization estimation unit 251 estimates the amount of polarization rotation based on the change in the observed amount of photons used for quantum cryptography communication (the number of photons observed for a certain period of time, etc.).

偏光補正出力部252は、偏光回転量を参照して、例えば偏光の回転を補正する量(偏光補正量)を偏光回転装置201へ出力する。 The polarization correction output unit 252 outputs, for example, an amount for correcting the rotation of polarized light (polarization correction amount) to the polarization rotation device 201 with reference to the amount of rotation of polarization.

条件決定部253は、量子暗号通信に用いる光子の観測量(一定時間観測した光子数など)に応じて、偏光推定部251による推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する。観測条件は、例えば、光子を観測する観測時間、および、光子のカウント数などである。条件決定部253は、例えば光子の観測量が大きく変動した場合に、観測時間を短くする、または、カウント数を小さくすることにより、推定に用いられる光子の観測量を小さくする。光子の観測量を小さくすることは、推定にかかる時間を短くすること、最終的には偏光の補正の制御周期を短くすることに相当する。条件決定部253が用いる光子の観測量は、偏光推定部251が推定用いる観測量と同じである必要はない。 The condition determination unit 253 determines the observation conditions related to the photon observable amount, which is the condition used for the estimation by the polarization estimation unit 251 according to the photon observable amount used for the quantum cryptography communication (the number of photons observed for a certain period of time, etc.). do. The observation conditions are, for example, the observation time for observing photons, the number of photon counts, and the like. The condition determination unit 253 reduces the observed amount of photons used for estimation by shortening the observation time or reducing the number of counts, for example, when the observed amount of photons fluctuates greatly. Reducing the observable amount of photons corresponds to shortening the time required for estimation, and finally shortening the control cycle of polarization correction. The photon observable used by the condition determination unit 253 does not have to be the same as the observable amount estimated by the polarization estimation unit 251.

信号出力部254は、光の情報(観測信号)を光子検出器206と207から受け取り、鍵生成部220へ出力(送信)する。 The signal output unit 254 receives light information (observation signal) from the photon detectors 206 and 207 and outputs (transmits) it to the key generation unit 220.

制御部208は、例えば、1または複数のプロセッサにより実現される。例えば制御部208は、CPUなどのプロセッサにプログラムを実行させること、すなわちソフトウェアにより実現してもよい。制御部208は、高速な制御が可能となるFPGAや専用のICなどのプロセッサ、すなわちハードウェアにより実現してもよい。制御部208は、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。複数のプロセッサを用いる場合、各プロセッサは、制御部208の各部のうち1つを実現してもよいし、各部のうち2以上を実現してもよい。 The control unit 208 is realized by, for example, one or more processors. For example, the control unit 208 may be realized by causing a processor such as a CPU to execute a program, that is, by software. The control unit 208 may be realized by a processor such as an FPGA or a dedicated IC that enables high-speed control, that is, hardware. The control unit 208 may be realized by using software and hardware in combination. When a plurality of processors are used, each processor may realize one of each unit of the control unit 208, or may realize two or more of each unit.

次に、このように構成された第1の実施形態にかかる通信システムによる制御処理について説明する。制御処理は、光子の観測量に基づき偏光の回転の補正を制御する処理である。本実施形態の制御処理は、例えば量子鍵配送技術により暗号鍵を共有するために用いる光子を送受信する処理(通信処理)を含んでいる。図4は、第1の実施形態における制御処理の一例を示すフローチャートである。 Next, the control process by the communication system according to the first embodiment configured in this way will be described. The control process is a process of controlling the correction of the rotation of polarized light based on the observed amount of photons. The control process of the present embodiment includes, for example, a process (communication process) of transmitting and receiving photons used for sharing an encryption key by a quantum key distribution technique. FIG. 4 is a flowchart showing an example of the control process according to the first embodiment.

無偏光光源101は、光子を放出する(ステップS101)。偏光ビームスプリッタ102は、第1の偏光を持つ光子を第1の光路に送り、第1の偏光と直交する第2の偏光を持つ光子を第2の光路に送る。 The unpolarized light source 101 emits photons (step S101). The polarization beam splitter 102 sends a photon having a first polarization to the first optical path and a photon having a second polarization orthogonal to the first polarization to the second optical path.

位相変調器103は、第1の光路に進んだ光子の位相をエンコードする(ステップS102)。例えば位相変調器103は、第1の光路に進んだ光子の位相を、第2の光路へ進んだ光子に対して4通りからランダムに選んだ位相差を持つように変調する。第2の光路へ進んだ光子は、遅延回路105により第1の光路に進んだ光子に対して遅れて合波器104に送られる。合波器104は、第1の光路に進んだ光子、および、第2の光路に進んだ光子を合波する。 The phase modulator 103 encodes the phase of the photon that has advanced to the first optical path (step S102). For example, the phase modulator 103 modulates the phase of a photon traveling in the first optical path so as to have a phase difference randomly selected from four ways with respect to the photon traveling in the second optical path. The photon that has advanced to the second optical path is sent to the combiner 104 by the delay circuit 105 with a delay with respect to the photon that has advanced to the first optical path. The combiner 104 combines the photons that have traveled to the first optical path and the photons that have traveled to the second optical path.

合波器104で合波された光子は、量子通信路11を通過して光子受信部210へ伝達される(ステップS103)。光子受信部210の偏光回転装置201は、制御部208からの制御信号に従い、量子通信路11中で発生した偏光の回転を補正する(ステップS104)。 The photons combined by the combiner 104 pass through the quantum communication path 11 and are transmitted to the photon receiving unit 210 (step S103). The polarization rotation device 201 of the photon receiving unit 210 corrects the rotation of the polarization generated in the quantum communication path 11 according to the control signal from the control unit 208 (step S104).

偏光ビームスプリッタ202は、第1の偏光を持つ光子を第3の光路へ送り、第2の偏光を持つ光子を第4の光路へと送る。位相変調器203は、第4の光路に進んだ光子の位相をデコードする(ステップS105)。例えば位相変調器203は、第4の光路に進んだ光子の位相を2通りからランダムに選んだ位相分だけ変調する。第3の光路へ進んだ光子は、遅延回路105と同じ長さの遅延回路204により、第4の光路に進んだ光子と同じタイミングでビームスプリッタ205に送られる。これにより、第3の光路へ進んだ光子と第4の光路へ進んだ光子が干渉する。 The polarization beam splitter 202 sends a photon having a first polarization to a third optical path and a photon having a second polarization to a fourth optical path. The phase modulator 203 decodes the phase of the photon that has advanced to the fourth optical path (step S105). For example, the phase modulator 203 modulates the phase of a photon advancing in the fourth optical path by a phase randomly selected from two ways. The photon that has advanced to the third optical path is sent to the beam splitter 205 at the same timing as the photon that has advanced to the fourth optical path by the delay circuit 204 having the same length as the delay circuit 105. As a result, the photon that has traveled to the third optical path and the photon that has traveled to the fourth optical path interfere with each other.

ビームスプリッタ205は、干渉の結果に応じて光子の光路を選択する。光子検出器206または207は、光子を検出することにより、光の情報(信号)を読み出す(ステップS106)。制御部208の信号出力部254は、光の情報を光子検出器206と207から受け取り、鍵生成部220へ送信する。 The beam splitter 205 selects the photon optical path according to the result of the interference. The photon detector 206 or 207 reads out light information (signal) by detecting photons (step S106). The signal output unit 254 of the control unit 208 receives light information from the photon detectors 206 and 207 and transmits it to the key generation unit 220.

制御部208の偏光推定部251は、量子暗号通信に用いるための光子を観測信号とし、光子検出器206と207で検出した光子数の合計値を一定時間観測し、検出した合計値から偏光回転量を推定する(ステップS107)。制御部208の偏光補正出力部252は、偏光回転量を補正する偏光補正量を指示するための制御信号を偏光回転装置201へ送信する。 The polarization estimation unit 251 of the control unit 208 uses photons for use in quantum cryptography communication as observation signals, observes the total number of photons detected by the photon detectors 206 and 207 for a certain period of time, and rotates the polarization from the detected total value. Estimate the amount (step S107). The polarization correction output unit 252 of the control unit 208 transmits a control signal for instructing the polarization correction amount for correcting the polarization rotation amount to the polarization rotation device 201.

制御部208の条件決定部253は、量子暗号通信に用いるための光子を観測信号とし、光子検出器206と207で検出した光子数の合計値を一定時間観測し、検出した合計値から、次の推定に用いる観測条件として、例えば次の観測時間を決定する(ステップS108)。 The condition determination unit 253 of the control unit 208 uses photons for use in quantum cryptography communication as observation signals, observes the total number of photons detected by the photon detectors 206 and 207 for a certain period of time, and from the detected total value, the next As the observation condition used for the estimation of, for example, the next observation time is determined (step S108).

ステップS101〜ステップS108までの処理が繰り返し実行される。次のサイクルでは、ステップS108で決定された観測時間に観測された光子数の合計値が、偏光回転量の推定に用いられる(ステップS107)。 The processes from step S101 to step S108 are repeatedly executed. In the next cycle, the total number of photons observed during the observation time determined in step S108 is used to estimate the amount of polarization rotation (step S107).

次に、偏光推定部251による偏光回転量の推定方法の詳細について説明する。 Next, the details of the method of estimating the amount of polarization rotation by the polarization estimation unit 251 will be described.

量子通信路11における偏光の回転は、例えば、風による架空ファイバの揺れ、温度変化、および、振動の影響により、光ファイバ内部の屈折率が変化することで生じる。 The rotation of polarized light in the quantum communication path 11 is caused by, for example, a change in the refractive index inside the optical fiber due to the influence of vibration, temperature change, and vibration of the fictitious fiber due to wind.

偏光を補正しない場合には、偏光ビームスプリッタ202において第1の偏光の光子が第4の光路へ進む割合、および、第2の偏光の光子が第3の光路へ進む割合が増える。その場合には、第1の偏光の光子と第2の偏光の光子がビームスプリッタ205に到達するタイミングが同時ではなくなり、干渉が起こらなくなる。この結果、適切な情報が取り出せなくなり、最終的に暗号鍵の生成率が低下する。これを防ぐためには、光子受信部210の偏光ビームスプリッタ202に入る前に偏光を補正する必要がある。 When the polarization is not corrected, the ratio of the photons of the first polarization to the fourth optical path and the ratio of the photons of the second polarization to the third optical path increase in the polarization beam splitter 202. In that case, the timing at which the first polarized photon and the second polarized photon reach the beam splitter 205 is not simultaneous, and interference does not occur. As a result, appropriate information cannot be retrieved, and the encryption key generation rate eventually decreases. In order to prevent this, it is necessary to correct the polarization before entering the polarization beam splitter 202 of the photon receiving unit 210.

偏光を補正するためには、偏光回転量を推定する必要がある。偏光推定部251は、ビームスプリッタ205に同時に到達した光子のみを観測信号として取り出し、これを一定時間取得して、その単位時間あたりの観測量(光子数)の基準値からの減少率を用いて偏光回転量を推定する。基準値は、例えば、予め測定しておいた偏光が回転していない時の観測量、または、長期間観測量を計測した場合の最大値から設定する。基準値に対する減少率は、偏光回転量θに対して、以下の(1)式に示す関係にある。偏光推定部251は、(1)式に従い、減少率に対応する偏光回転量θを算出(推定)する。
基準値からの減少率(%)=(1−0.5×cosθ)×100 ・・・(1)
In order to correct the polarization, it is necessary to estimate the amount of rotation of polarization. The polarization estimation unit 251 extracts only the photons that have reached the beam splitter 205 at the same time as an observation signal, acquires this as an observation signal for a certain period of time, and uses the rate of decrease of the observed amount (number of photons) per unit time from the reference value. Estimate the amount of polarization rotation. The reference value is set from, for example, the observed amount when the polarized light measured in advance is not rotating, or the maximum value when the observed amount for a long period of time is measured. The rate of decrease with respect to the reference value has a relationship shown by the following equation (1) with respect to the amount of rotation of polarized light θ. The polarization estimation unit 251 calculates (estimates) the polarization rotation amount θ corresponding to the reduction rate according to the equation (1).
Rate of decrease from the reference value (%) = (1-0.5 × cosθ) × 100 ・ ・ ・ (1)

偏光推定部251による偏光回転量の推定方法はこれに限られるものではない。例えば偏光推定部251は、基準値からの減少量に比例したステップサイズを設定し、段階的な値となる偏光回転量を推定してもよい。 The method for estimating the amount of rotation of polarized light by the polarized light estimation unit 251 is not limited to this. For example, the polarization estimation unit 251 may set a step size proportional to the amount of decrease from the reference value and estimate the amount of polarization rotation which is a stepwise value.

基準値からの減少率の代わりに、ビームスプリッタ205に同時に到達しなかった光子のみを観測信号として取り出し、その観測信号のゼロからの増加量を推定に用いてもよい。この場合、観測信号のゼロからの増加量は、基準値に対して以下の(2)式に示す関係にある。偏光推定部251は、(2)式に従い、増加量に対応する偏光回転量θを算出(推定)する。
増加量=基準値×0.5×sinθ ・・・(2)
Instead of the rate of decrease from the reference value, only the photons that did not reach the beam splitter 205 at the same time may be extracted as an observation signal, and the amount of increase of the observation signal from zero may be used for estimation. In this case, the amount of increase of the observed signal from zero has the relationship shown in the following equation (2) with respect to the reference value. The polarization estimation unit 251 calculates (estimates) the polarization rotation amount θ corresponding to the increase amount according to the equation (2).
Increase amount = reference value x 0.5 x sin θ ... (2)

偏光補正出力部252は、推定された偏光回転量を補正する偏光補正量を指示するための制御信号を偏光回転装置201へ送信することにより、回転を補正する。制御部208は、PID(Proportional Integral Differential)制御などのフィードバック制御手法を用いてもよい。 The polarization correction output unit 252 corrects the rotation by transmitting a control signal for instructing the polarization correction amount for correcting the estimated polarization rotation amount to the polarization rotation device 201. The control unit 208 may use a feedback control method such as PID (Proportional Integral Differential) control.

偏光推定部251は、光ファイバの近傍に設置された風力センサ、および、光ファイバに取り付けた加速度センサなどの、量子通信路11の屈折率に影響する要因を検知するセンサからの出力信号に基づいて、偏光回転量を推定してもよい。 The polarization estimation unit 251 is based on an output signal from a sensor that detects factors affecting the refractive index of the quantum communication path 11, such as a wind sensor installed near the optical fiber and an acceleration sensor attached to the optical fiber. The amount of rotation of polarized light may be estimated.

次に、条件決定部253による、推定に用いられる観測条件を決定する方法の詳細について説明する。 Next, the details of the method for determining the observation conditions used for estimation by the condition determination unit 253 will be described.

例えば条件決定部253は、ビームスプリッタ205に同時に到達した光子のみを観測信号として取り出し、その一定時間当たりの観測量が閾値(例えば定常時の75%)を下回った場合に、観測時間を短くするよう決定する。 For example, the condition determination unit 253 extracts only photons that reach the beam splitter 205 at the same time as an observation signal, and shortens the observation time when the observation amount per fixed time falls below a threshold value (for example, 75% of the steady state). To decide.

量子信号に使用する光子は非常に少なく、平均光子数が1光子以下となるように設定されている。このため、偏光推定部251が偏光の回転量を精度良く推定するためには一定の観測時間が必要となる。特にレーザー光を用いて疑似単一光子を生成する場合には、平均光子数が0.5光子以下となるように設定することもある。光子数の変化から偏光回転量を推定するためには1000から10000個の光子を集める必要がある。ダークカウントと呼ばれるノイズ光子がカウントに含まれることもあるため、さらに長い時間光子を観測する必要がある。そのため観測時間は例えば100ミリ秒に設定される。この場合、観測時間経過後に偏光制御装置へ補正量の出力が行われるため、偏光制御周期は100ミリ秒以上となる。 Very few photons are used in the quantum signal, and the average number of photons is set to be 1 photon or less. Therefore, a certain observation time is required for the polarization estimation unit 251 to accurately estimate the amount of rotation of polarized light. In particular, when a pseudo single photon is generated using laser light, the average number of photons may be set to 0.5 photon or less. In order to estimate the amount of polarization rotation from the change in the number of photons, it is necessary to collect 1000 to 10000 photons. Since noise photons called dark counts may be included in the count, it is necessary to observe the photons for a longer time. Therefore, the observation time is set to, for example, 100 milliseconds. In this case, since the correction amount is output to the polarization control device after the observation time has elapsed, the polarization control cycle is 100 milliseconds or more.

一方、例えば電柱間に設置された光ファイバを用いる場合には、強風の影響でファイバが速く大きく揺れることで、偏光制御が間に合わずに、補正できない偏光回転の影響が大きく生じる場合がある。具体的には暗号鍵の生成率の大幅な減少が挙げられる。このような場合には、偏光回転量の推定精度を落としてでも、偏光回転量を推定する時間を短くして偏光制御周期を短くすることで、風による偏光回転に対して偏光補正を追従させることができる。本実施形態によれば、条件決定部253は、観測信号の一定量の減少を確認した場合に、観測時間を短くするよう決定する。例えば上記観測時間を5ミリ秒と短く決定することで迅速なフィードバック補正を可能とする。なお、推定に用いられる観測時間を短くすることはすなわち推定に用いられる観測信号(光子)のカウント数を少なくすることと同義である。 On the other hand, for example, when an optical fiber installed between utility poles is used, the fiber may sway quickly and greatly due to the influence of a strong wind, so that the polarization control may not be in time and the influence of uncorrectable polarization rotation may be large. Specifically, there is a significant decrease in the encryption key generation rate. In such a case, even if the estimation accuracy of the polarization rotation amount is lowered, the polarization correction is made to follow the polarization rotation due to the wind by shortening the time for estimating the polarization rotation amount and shortening the polarization control cycle. be able to. According to the present embodiment, the condition determination unit 253 determines to shorten the observation time when it confirms a certain decrease in the observation signal. For example, by determining the observation time as short as 5 milliseconds, quick feedback correction is possible. It should be noted that shortening the observation time used for estimation is synonymous with reducing the number of counts of observation signals (photons) used for estimation.

低気圧の接近などによる強風の場合には観測信号は減少し続けるのではなく風の強弱によって観測量が大きく変動し、それが数十分から数十時間継続する。そのため、風以外の装置の故障などによる減少と区別するために、条件決定部253は、一定期間の観測量の標準偏差が閾値以上(例えば定常時の10%)である場合に、観測時間を短くするよう決定してもよい。なお風以外の振動や温度変化による偏光回転は、強風と比較して変化が緩やかであるため区別が可能である。 In the case of a strong wind due to the approach of a low pressure system, the observed signal does not continue to decrease, but the observed amount fluctuates greatly depending on the strength of the wind, which lasts for tens of minutes to several tens of hours. Therefore, in order to distinguish it from a decrease due to a failure of a device other than the wind, the condition determination unit 253 sets the observation time when the standard deviation of the observed amount for a certain period is equal to or more than the threshold value (for example, 10% of the steady state). You may decide to shorten it. It should be noted that the rotation of polarized light due to vibrations other than wind and temperature changes can be distinguished because the changes are slower than those of strong winds.

(変形例1)
偏光回転装置201は、光子送信部側に設置されていてもよい。図5は、このように構成された変形例1にかかる光子送信部110bおよび光子受信部210bの機能構成例を示すブロック図である。
(Modification example 1)
The polarization rotating device 201 may be installed on the photon transmitter side. FIG. 5 is a block diagram showing a functional configuration example of the photon transmitting unit 110b and the photon receiving unit 210b according to the modified example 1 configured in this way.

変形例1の光子送信部110bは、偏光回転装置201をさらに備える点が、第1の実施形態の光子送信部110と異なっている。変形例1の光子受信部210bは、偏光回転装置201を備えない点が、第1の実施形態の光子受信部210と異なっている。 The photon transmission unit 110b of the first modification is different from the photon transmission unit 110 of the first embodiment in that the polarization rotating device 201 is further provided. The photon receiving unit 210b of the first modification is different from the photon receiving unit 210 of the first embodiment in that it does not include the polarization rotating device 201.

本変形例では、制御部208は、例えば古典通信路12を介して、制御信号を光子送信部110b内の偏光回転装置201に送信する。 In this modification, the control unit 208 transmits a control signal to the polarization rotation device 201 in the photon transmission unit 110b, for example, via the classical communication path 12.

本変形例によれば、例えば、偏光回転装置201により回転が補正された光子が、量子信号の強度を最適化する減衰器を通過するように構成できる。このため、偏光回転装置201による光子の損失を避けることが可能となる。なお、偏光回転装置を光子送信部側に設置する変形は、以下の各実施形態に対しても適用できる。 According to this modification, for example, a photon whose rotation has been corrected by the polarization rotating device 201 can be configured to pass through an attenuator that optimizes the intensity of the quantum signal. Therefore, it is possible to avoid the loss of photons due to the polarization rotating device 201. The modification of installing the polarization rotating device on the photon transmitting unit side can also be applied to each of the following embodiments.

(変形例2)
変形例2では、量子通信路11の長さ(通信距離)に応じて、推定に用いられる観測条件の初期値を決定する方法について説明する。本変形例では、条件決定部253は、定常時に一定時間観測した光子の観測量に基づいて観測条件の初期値を決定する。
(Modification 2)
In the second modification, a method of determining the initial value of the observation conditions used for estimation will be described according to the length (communication distance) of the quantum communication path 11. In this modification, the condition determination unit 253 determines the initial value of the observation condition based on the observed amount of photons observed for a certain period of time in the steady state.

ここではカウントレートを1秒あたりの光子のビットカウントと定義する。光子送信部110から放出される光子は、盗聴を防ぐためには1光子以下の強度でなければならない。一方、量子通信路11の途中では、量子状態を検出して増幅することができない。また、量子通信路11が長いほど、量子通信路11である光ファイバ内の不純物での吸収や散乱により、次第に光子の数が減少する。例えば通信波長帯の一般的なシングルモードファイバを用いた場合、1キロメートルあたり0.2デシベルの減衰がある。従って、光ファイバでの損失のみを考慮した場合のカウントレートの距離依存性は以下の(3)式で表される。
距離Lのカウントレート=
距離ゼロのカウントレート×10^(−0.2×L/10) ・・・(3)
Here, the count rate is defined as the bit count of photons per second. The photon emitted from the photon transmitter 110 must have an intensity of 1 photon or less in order to prevent eavesdropping. On the other hand, in the middle of the quantum communication path 11, the quantum state cannot be detected and amplified. Further, as the quantum communication path 11 is longer, the number of photons gradually decreases due to absorption and scattering by impurities in the optical fiber which is the quantum communication path 11. For example, when a general single-mode fiber in the communication wavelength band is used, there is an attenuation of 0.2 decibels per kilometer. Therefore, the distance dependence of the count rate when only the loss in the optical fiber is considered is expressed by the following equation (3).
Distance L count rate =
Count rate with zero distance x 10 ^ (-0.2 x L / 10) ... (3)

例えば、量子通信路11が10キロメートルで観測信号のカウントレートが10メガビット毎秒である場合、減衰の原因がファイバ中での損失のみであると仮定すると、量子通信路11が30キロメートルでのカウントレートが4メガビット毎秒まで減衰すると予測される。 For example, if the quantum channel 11 is 10 kilometers and the observed signal count rate is 10 megabits per second, assuming that the only cause of attenuation is the loss in the fiber, the quantum channel 11 counts at 30 kilometers. Is expected to decay to 4 megabits per second.

前述のように、光子数の変化から偏光回転量を推定するためには一定量の光子を集める必要がある。上記(3)式より、一定の光子のビットカウントCを得るのに必要な観測時間Tは以下の(4)式で表される。
観測時間=C/距離ゼロでのカウントレート×10^(0.2×L/10)・・・(4)
As described above, it is necessary to collect a certain amount of photons in order to estimate the amount of polarization rotation from the change in the number of photons. From the above equation (3), the observation time T required to obtain a constant photon bit count C is expressed by the following equation (4).
Observation time = C / Count rate at zero distance x 10 ^ (0.2 x L / 10) ... (4)

例えば必要なビットカウントが10000であるとすると、条件決定部253は、量子通信路11が10キロメートルの場合には1ミリ秒を、量子通信路11が30キロメートルの場合には、量子通信路11が10キロメートルに対して2.5倍である2.5ミリ秒を、推定に用いられる観測時間の初期値として決定する。 For example, assuming that the required bit count is 10000, the condition determination unit 253 determines 1 millisecond when the quantum communication path 11 is 10 kilometers, and the quantum communication path 11 when the quantum communication path 11 is 30 kilometers. 2.5 milliseconds, which is 2.5 times 10 kilometers, is determined as the initial value of the observation time used for estimation.

このように、条件決定部253は、定常時の光子の観測量が大きいほど(量子通信路11の距離が短いほど)、推定に用いられる観測量がより小さくなることを示す観測条件の初期値を決定する。変形例2によれば、例えば、通信距離が短い場合には観測時間を短く、通信距離が長い場合には観測時間を長くすることで定常時の安定的な偏光補正が可能となる。なお、観測条件の初期値を決定する変形は、以下の各実施形態に対しても適用できる。 In this way, the condition determination unit 253 indicates that the larger the observed amount of photons in the steady state (the shorter the distance of the quantum channel 11), the smaller the observed amount used for estimation is the initial value of the observation condition. To determine. According to the second modification, for example, when the communication distance is short, the observation time is short, and when the communication distance is long, the observation time is long, so that stable polarization correction in a steady state becomes possible. The modification that determines the initial value of the observation condition can also be applied to each of the following embodiments.

以上のように、第1の実施形態によれば、偏光の回転が速く大きく生じた場合のみに観測時間を短くすることで、強風時の迅速な偏光補正と、定常時の安定的な偏光補正を両立することが可能となる。また、強風時のみ制御周期を短くすることで、不必要なまでに頻繁な制御による装置への負担も軽減できる。 As described above, according to the first embodiment, by shortening the observation time only when the rotation of polarized light occurs quickly and greatly, rapid polarization correction in strong wind and stable polarization correction in steady state are performed. Can be compatible with each other. Further, by shortening the control cycle only in strong winds, it is possible to reduce the burden on the device due to unnecessarily frequent control.

(第2の実施形態)
第2の実施形態の通信システムは、量子暗号通信に用いる光子と異なる光子(参照光)の観測量を用いて、量子暗号通信に用いる光子の偏光に回転を推定する。
(Second embodiment)
The communication system of the second embodiment estimates the rotation to the polarization of the photon used in the quantum cryptography communication by using the observed amount of the photon (reference light) different from the photon used in the quantum cryptography communication.

図6は、第2の実施形態にかかる光子送信部110−2および光子受信部210−2の機能構成例を示すブロック図である。図7は、制御部208−2の詳細な機能構成の一例を示すブロック図である。 FIG. 6 is a block diagram showing a functional configuration example of the photon transmitting unit 110-2 and the photon receiving unit 210-2 according to the second embodiment. FIG. 7 is a block diagram showing an example of a detailed functional configuration of the control unit 208-2.

図6に示すように、光子送信部110−2は、無偏光光源101と、偏光ビームスプリッタ102と、位相変調器103−2と、合波器104と、遅延回路105と、参照光源106−2と、合波器107−2と、を備えている。 As shown in FIG. 6, the photon transmitter 110-2 includes an unpolarized light source 101, a polarization beam splitter 102, a phase modulator 103-2, a combiner 104, a delay circuit 105, and a reference light source 106-. 2 and a combiner 107-2 are provided.

光子受信部210−2は、偏光回転装置201と、偏光ビームスプリッタ202と、位相変調器203−2と、遅延回路204と、ビームスプリッタ205と、光子検出器206、207と、制御部208−2と、を備えている。図7に示すように、制御部208−2は、偏光推定部251−2と、条件決定部253と、偏光補正出力部252と、信号出力部254と、を備えている。 The photon receiving unit 210-2 includes a polarization rotating device 201, a polarization beam splitter 202, a phase modulator 203-2, a delay circuit 204, a beam splitter 205, photon detectors 206 and 207, and a control unit 208-. 2 and. As shown in FIG. 7, the control unit 208-2 includes a polarization estimation unit 251-2, a condition determination unit 253, a polarization correction output unit 252, and a signal output unit 254.

第2の実施形態の光子送信部110−2は、参照光源106−2と合波器107−2とを追加したこと、および、位相変調器103−2の機能が、第1の実施形態の光子送信部110と異なっている。第2の実施形態の光子受信部210−2は、位相変調器203−2および制御部208−2(偏光推定部251−2)の機能が第1の実施形態の光子受信部210と異なっている。その他の構成および機能は、第1の実施形態にかかる通信システムのブロック図である図2と同様であるので、同一符号を付し、ここでの説明は省略する。 The photon transmitter 110-2 of the second embodiment adds the reference light source 106-2 and the combiner 107-2, and the function of the phase modulator 103-2 is the function of the first embodiment. It is different from the photon transmitter 110. The photon receiving unit 210-2 of the second embodiment is different from the photon receiving unit 210 of the first embodiment in the functions of the phase modulator 203-2 and the control unit 208-2 (polarization estimation unit 251-2). There is. Other configurations and functions are the same as those in FIG. 2, which is a block diagram of the communication system according to the first embodiment. Therefore, the same reference numerals are given, and the description thereof will be omitted here.

参照光源106−2は、偏光回転量を推定するために用いる参照光を放出する光源である。参照光源106−2は、無偏光光源101が兼ねてもよい。 The reference light source 106-2 is a light source that emits reference light used for estimating the amount of rotation of polarized light. The unpolarized light source 101 may also serve as the reference light source 106-2.

合波器107−2は、参照光源106−2から放出された参照光を、無偏光光源101から放出された光子と同じ経路に入射するために用いられる。 The combiner 107-2 is used to incident the reference light emitted from the reference light source 106-2 into the same path as the photons emitted from the unpolarized light source 101.

位相変調器103−2は、参照光の位相を変調する機能をさらに有する点が、第1の実施形態の位相変調器103と異なっている。例えば位相変調器103−2は、第2の光路へ進んだ参照光の光子に対して固定の位相差を有するように、第1の光路に進んだ参照光の光子の位相を変調する。 The phase modulator 103-2 is different from the phase modulator 103 of the first embodiment in that it further has a function of modulating the phase of the reference light. For example, the phase modulator 103-2 modulates the phase of the photon of the reference light that has traveled to the first optical path so that it has a fixed phase difference with respect to the photon of the reference light that has traveled to the second optical path.

位相変調器203−2は、参照光の位相を変調する機能をさらに有する点が、第1の実施形態の位相変調器203と異なっている。例えば位相変調器203−2は、第4の光路に進んだ参照光の光子が第3の経路に進んだ参照光と干渉した結果、すべて光子検出器206へと進むように位相を変調する。 The phase modulator 203-2 is different from the phase modulator 203 of the first embodiment in that it further has a function of modulating the phase of the reference light. For example, the phase modulator 203-2 modulates the phase so that the photons of the reference light traveling in the fourth optical path interfere with the reference light traveling in the third path, and as a result, all the photons proceed to the photon detector 206.

偏光推定部251−2は、参照光を用いて、量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する。 The polarization estimation unit 251-2 estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication using reference light.

次に、このように構成された第2の実施形態にかかる通信システムによる通信処理について説明する。通信処理は、例えば量子鍵配送技術により暗号鍵を共有するために用いる光子を送受信する処理である。図8は、第2の実施形態における通信処理の一例を示すフローチャートである。 Next, the communication processing by the communication system according to the second embodiment configured in this way will be described. The communication process is a process of transmitting and receiving photons used for sharing an encryption key by, for example, quantum key distribution technology. FIG. 8 is a flowchart showing an example of communication processing in the second embodiment.

ステップS201からステップS206は、第1の実施形態にかかる通信システムにおけるステップS101からステップS106と同様の処理なので、その説明を省略する。このように、第2の実施形態では、検出された量子信号は偏光回転量の推定に用いられない。 Since steps S201 to S206 are the same processes as steps S101 to S106 in the communication system according to the first embodiment, the description thereof will be omitted. As described above, in the second embodiment, the detected quantum signal is not used for estimating the amount of rotation of polarized light.

次に、第2の実施形態にかかる通信システムによる制御処理について説明する。図9は、第2の実施形態における制御処理の一例を示すフローチャートである。 Next, the control process by the communication system according to the second embodiment will be described. FIG. 9 is a flowchart showing an example of the control process according to the second embodiment.

合波器107−2は、参照光源106−2から放出された参照光を、量子信号を示す光子と同じ干渉計へ入射する(ステップS301)。偏光ビームスプリッタ102は、第1の偏光を持つ参照光を第1の光路に送り、第1の偏光と直交する第2の偏光を持つ参照光を第2の光路に送る。 The combiner 107-2 incidents the reference light emitted from the reference light source 106-2 onto the same interferometer as the photon indicating the quantum signal (step S301). The polarization beam splitter 102 sends the reference light having the first polarization to the first optical path, and sends the reference light having the second polarization orthogonal to the first polarization to the second optical path.

位相変調器103−2は、第1の光路に進んだ光子の位相を変調する(ステップS302)。例えば位相変調器103−2は、第1の光路に進んだ光子の位相を、第2の光路へ進んだ光子に対して固定の位相差を持つように変調する。第2の光路へ進んだ光子は、遅延回路105により第1の光路に進んだ光子に対して遅れて合波器104に送られる。合波器104は、第1の光路に進んだ光子、および、第2の光路に進んだ光子を合波する。 The phase modulator 103-2 modulates the phase of the photon that has advanced to the first optical path (step S302). For example, the phase modulator 103-2 modulates the phase of a photon traveling in the first optical path so as to have a fixed phase difference with respect to the photon traveling in the second optical path. The photon that has advanced to the second optical path is sent to the combiner 104 by the delay circuit 105 with a delay with respect to the photon that has advanced to the first optical path. The combiner 104 combines the photons that have traveled to the first optical path and the photons that have traveled to the second optical path.

合波器104で合波された光子は、量子通信路11を通過して光子受信部210−2へ伝達される(ステップS303)。光子受信部210−2の偏光回転装置201は、制御部208からの制御信号に従い、量子通信路11中で発生した偏光の回転を補正する(ステップS304)。 The photons combined by the combiner 104 pass through the quantum communication path 11 and are transmitted to the photon receiving unit 210-2 (step S303). The polarization rotation device 201 of the photon receiving unit 210-2 corrects the rotation of the polarization generated in the quantum communication path 11 according to the control signal from the control unit 208 (step S304).

偏光ビームスプリッタ202は、第1の偏光を持つ光子を第3の光路へ送り、第2の偏光を持つ光子を第4の光路へと送る。位相変調器203−3は、第4の光路に進んだ光子の位相を変調する(ステップS305)。例えば位相変調器203−2は、第4の光路に進んだ光子の位相を、すべての光子が光子検出器206へと進むように変調する。第3の光路へ進んだ光子は、遅延回路105と同じ長さの遅延回路204により、第4の光路に進んだ光子と同じタイミングでビームスプリッタ205に送られる。これにより、第3の光路へ進んだ光子と第4の光路へ進んだ光子が干渉する。 The polarization beam splitter 202 sends a photon having a first polarization to a third optical path and a photon having a second polarization to a fourth optical path. The phase modulator 203-3 modulates the phase of the photon that has advanced to the fourth optical path (step S305). For example, the phase modulator 203-2 modulates the phase of a photon that has advanced to the fourth optical path so that all photons advance to the photon detector 206. The photon that has advanced to the third optical path is sent to the beam splitter 205 at the same timing as the photon that has advanced to the fourth optical path by the delay circuit 204 having the same length as the delay circuit 105. As a result, the photon that has traveled to the third optical path and the photon that has traveled to the fourth optical path interfere with each other.

ビームスプリッタ205で干渉した参照光は偏光の回転が生じなければすべて光子検出器206へと進む。光子検出器206は、ビームスプリッタ205により干渉した参照光を検出する(ステップS306)。 All the reference light that interferes with the beam splitter 205 goes to the photon detector 206 if there is no rotation of polarized light. The photon detector 206 detects the reference light that interferes with the beam splitter 205 (step S306).

制御部208−2の偏光推定部251−2は、検出された参照光の光子を用いて量子信号に用いられる光子の偏光回転量を推定する(ステップS307)。例えば偏光推定部251−2は、ビームスプリッタ205に同時に到達し、かつ、光子検出器206に到達した参照光のみを観測信号として一定時間取得し、観測信号の単位時間あたりの観測量の減少量から偏光回転量を推定する。参照光であっても、量子信号として用いられる光子と同じ経路を経由しており、例えば量子信号と交互に送信することで、量子信号として用いられる光子の偏光の回転量と近い量を推定することができる。偏光補正出力部252は、推定した偏光回転量を補正する偏光補正量を指示するための制御信号を偏光回転装置201へ送信する。 The polarization estimation unit 251-2 of the control unit 208-2 estimates the polarization rotation amount of the photon used in the quantum signal using the detected photon of the reference light (step S307). For example, the polarization estimation unit 251-2 acquires only the reference light that has reached the beam splitter 205 at the same time and has reached the photon detector 206 as an observation signal for a certain period of time, and the amount of decrease in the observation amount per unit time of the observation signal. The amount of polarization rotation is estimated from. Even the reference light passes through the same path as the photon used as the quantum signal, and by transmitting it alternately with the quantum signal, for example, an amount close to the amount of rotation of the polarization of the photon used as the quantum signal is estimated. be able to. The polarization correction output unit 252 transmits a control signal for instructing the polarization correction amount for correcting the estimated polarization rotation amount to the polarization rotation device 201.

制御部208−2の条件決定部253は、推定に用いる観測条件として、例えば次のサイクルの観測時間を決定する(ステップS308)。例えば条件決定部253は、光子検出器206に到達した参照光の光子のみを観測信号として取り出し、その一定時間当たりの観測量が閾値(例えば定常時の75%)を下回った場合に、推定に用いられる観測時間を短くするよう決定する。光子検出器207に到達した参照光の光子のみを観測信号として取り出し、その一定時間あたりの観測量が閾値を上回った場合に、推定に用いられる観測時間を短くするよう決定してもよい。 The condition determination unit 253 of the control unit 208-2 determines, for example, the observation time of the next cycle as the observation condition used for estimation (step S308). For example, the condition determination unit 253 extracts only the photon of the reference light that has reached the photon detector 206 as an observation signal, and estimates when the observation amount per fixed time falls below the threshold value (for example, 75% of the steady state). Decide to shorten the observation time used. It may be decided to take out only the photon of the reference light that has reached the photon detector 207 as an observation signal and shorten the observation time used for estimation when the observation amount per fixed time exceeds the threshold value.

量子信号検出のノイズを抑えるために、参照光は量子信号が送信されていないタイミングで合波することが望ましい。すなわち、図8の通信処理は、図9の制御処理とは異なるタイミングで実行されることが望ましい。参照光は、量子信号に比べて強くできる一方、参照光をあまり多く挿入すると量子信号の挿入できる時間スロットが減る。通信処理および制御処理のタイミングは、これらの要素を考慮して決定すればよい。 In order to suppress the noise of quantum signal detection, it is desirable that the reference light is combined at the timing when the quantum signal is not transmitted. That is, it is desirable that the communication process of FIG. 8 is executed at a timing different from that of the control process of FIG. While the reference light can be stronger than the quantum signal, inserting too much reference light reduces the time slot in which the quantum signal can be inserted. The timing of communication processing and control processing may be determined in consideration of these factors.

このように、第2の実施形態では、偏光の回転が速く大きく生じた場合のみに参照光の観測時間を短くすることで、強風時の迅速な偏光補正と、定常時の安定的な偏光補正を両立することが可能となる。 As described above, in the second embodiment, by shortening the observation time of the reference light only when the rotation of the polarized light occurs quickly and greatly, the rapid polarization correction in the strong wind and the stable polarization correction in the steady state are performed. Can be compatible with each other.

(第3の実施形態)
第3の実施形態では、第2の実施形態と異なる方法で、参照光を用いた偏光回転量の推定を実現する。
(Third Embodiment)
In the third embodiment, the estimation of the amount of polarization rotation using the reference light is realized by a method different from that of the second embodiment.

図10は、第3の実施形態にかかる光子送信部110−3および光子受信部210−3の機能構成例を示すブロック図である。図11は、制御部208−3の詳細な機能構成の一例を示すブロック図である。 FIG. 10 is a block diagram showing a functional configuration example of the photon transmitting unit 110-3 and the photon receiving unit 210-3 according to the third embodiment. FIG. 11 is a block diagram showing an example of a detailed functional configuration of the control unit 208-3.

図10に示すように、光子送信部110−3は、無偏光光源101と、偏光ビームスプリッタ102と、位相変調器103と、合波器104と、遅延回路105と、参照光源106−3と、合波器107−3と、を備えている。 As shown in FIG. 10, the photon transmitter 110-3 includes an unpolarized light source 101, a polarization beam splitter 102, a phase modulator 103, a combiner 104, a delay circuit 105, and a reference light source 106-3. , And a combiner 107-3.

光子受信部210−3は、偏光回転装置201と、偏光ビームスプリッタ202と、位相変調器203と、遅延回路204と、ビームスプリッタ205と、光子検出器206、207と、信号出力部254−3と、制御部208−3と、分波器209−3と、偏光回転量測定器211−3と、を備えている。図11に示すように、制御部208−3は、偏光推定部251−3と、条件決定部253と、偏光補正出力部252と、を備えている。 The photon receiving unit 210-3 includes a polarization rotating device 201, a polarization beam splitter 202, a phase modulator 203, a delay circuit 204, a beam splitter 205, photon detectors 206 and 207, and a signal output unit 24-3-3. The control unit 208-3, the demultiplexer 209-3, and the polarization rotation amount measuring device 211-3 are provided. As shown in FIG. 11, the control unit 208-3 includes a polarization estimation unit 251-3, a condition determination unit 253, and a polarization correction output unit 252.

第3の実施形態の光子送信部110−3は、参照光源106−3と合波器107−3とを追加したこと、さらに信号出力部254−3が制御部208−3から独立していることが、第1の実施形態の光子送信部110と異なっている。第3の実施形態の光子受信部210−3は、制御部208−3(偏光推定部251−3)の機能、および、分波器209−3と偏光回転量測定器211−3とを追加したことが第1の実施形態の光子受信部210と異なっている。その他の構成および機能は、第1の実施形態にかかる通信システムのブロック図である図2と同様であるので、同一符号を付し、ここでの説明は省略する。 In the photon transmission unit 110-3 of the third embodiment, the reference light source 106-3 and the combiner 107-3 are added, and the signal output unit 254-3 is independent of the control unit 208-3. This is different from the photon transmitter 110 of the first embodiment. The photon receiving unit 210-3 of the third embodiment adds the function of the control unit 208-3 (polarization estimation unit 251-3), the demultiplexer 209-3, and the polarization rotation amount measuring device 211-3. This is different from the photon receiving unit 210 of the first embodiment. Other configurations and functions are the same as those in FIG. 2, which is a block diagram of the communication system according to the first embodiment. Therefore, the same reference numerals are given, and the description thereof will be omitted here.

参照光源106−3は、偏光回転量を推定するために用いる参照光を放出する光源である。参照光源106−3は、無偏光光源101が兼ねてもよい。 Reference light source 106-3 is a light source that emits reference light used for estimating the amount of rotation of polarized light. The unpolarized light source 101 may also serve as the reference light source 106-3.

合波器107−3は、参照光源106−3から放出された参照光を、無偏光光源101から放出された光子と同じ経路に入射するために用いられる。 The combiner 107-3 is used to incident the reference light emitted from the reference light source 106-3 into the same path as the photons emitted from the unpolarized light source 101.

分波器209−3は、量子信号を示す光子と、参照光とを分波する。例えば分波器209−3は、量子信号を示す光子と参照光とを波長により区別し、量子信号を示す光子を偏光回転装置201へ送り、参照光を偏光回転量測定器211−3に送る。 The demultiplexer 209-3 demultiplexes the photon indicating the quantum signal and the reference light. For example, the demultiplexer 209-3 distinguishes between a photon indicating a quantum signal and a reference light by wavelength, sends a photon indicating a quantum signal to a polarization rotating device 201, and sends a reference light to a polarization rotation amount measuring device 211-3. ..

偏光回転量測定器211−3は、参照光の偏光回転量を測定する。例えば偏光回転量測定器211−3は、参照光を観測信号として取り出し、基準の偏光からの偏光回転量を一定時間取得して、その単位時間あたりの平均偏光回転量を測定する。偏光回転量測定器211−3は、偏光測定器により構成してもよいし、偏光ビームスプリッタと光子検出器との組み合わせにより構成してもよい。 The polarization rotation amount measuring device 211-3 measures the polarization rotation amount of the reference light. For example, the polarization rotation amount measuring device 211-3 extracts the reference light as an observation signal, acquires the polarization rotation amount from the reference polarization for a certain period of time, and measures the average polarization rotation amount per unit time. The polarization rotation amount measuring device 211-3 may be configured by a polarization measuring device, or may be configured by a combination of a polarization beam splitter and a photon detector.

偏光推定部251−3は、偏光回転量測定器211−3からの出力信号(観測信号)を用いて、量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する。参照光の偏光回転量をそのまま推定値に用いてもよいし、量子暗号通信に用いる光子と参照光の波長が異なる場合にはその補正を行った値を用いてもよい。 The polarization estimation unit 251-3 estimates the polarization rotation amount of the photon used for quantum cryptography communication by using the output signal (observation signal) from the polarization rotation amount measuring device 211-3. The amount of polarization rotation of the reference light may be used as it is as an estimated value, or when the wavelengths of the photon and the reference light used for quantum cryptography communication are different, the corrected value may be used.

次に、このように構成された第3の実施形態にかかる通信システムによる制御処理について説明する。なお、通信処理は第2の実施形態と同様であるため説明を省略する。図12は、第3の実施形態における制御処理の一例を示すフローチャートである。 Next, the control process by the communication system according to the third embodiment configured in this way will be described. Since the communication process is the same as that of the second embodiment, the description thereof will be omitted. FIG. 12 is a flowchart showing an example of the control process according to the third embodiment.

合波器107−3は、参照光源106−3から放出された参照光を、量子信号を示す光子と同じ経路へ入射する(ステップS401)。入射された参照光は、量子通信路11を通過して光子受信部210−3へ伝達される(ステップS402)。光子受信部210−3の分波器209−3は、参照光を偏光回転量測定器211−3に向かう光路に分波する(ステップS403)。偏光回転量測定器211−3は、参照光の偏光回転量を測定する(ステップS404)。偏光回転量測定器211−3の測定値を元に制御部208−3の偏光推定部251―3が量子暗号通信に用いる光子に生じた偏光回転量を推定する。その推定値を元に、偏光補正出力部252は、測定された偏光回転量を補正する偏光補正量を指示するための制御信号を偏光回転装置201へ送信する。偏光回転装置201は、通信処理を実行するときに、この制御信号に従って偏光を補正する。 The combiner 107-3 incidents the reference light emitted from the reference light source 106-3 into the same path as the photon indicating the quantum signal (step S401). The incident reference light passes through the quantum communication path 11 and is transmitted to the photon receiving unit 210-3 (step S402). The demultiplexer 209-3 of the photon receiving unit 210-3 demultiplexes the reference light into the optical path toward the polarization rotation amount measuring device 211-3 (step S403). The polarization rotation amount measuring device 211-3 measures the polarization rotation amount of the reference light (step S404). Based on the measured values of the polarization rotation amount measuring device 211-3, the polarization estimation unit 251-3 of the control unit 208-3 estimates the polarization rotation amount generated in the photons used for quantum cryptography communication. Based on the estimated value, the polarization correction output unit 252 transmits a control signal for instructing the polarization correction amount for correcting the measured polarization rotation amount to the polarization rotation device 201. The polarization rotating device 201 corrects the polarization according to this control signal when the communication process is executed.

制御部208−3の条件決定部253は、偏光回転量測定器211−3の測定結果に応じて、回転の観測条件として、例えば次のサイクルの観測時間を決定する(ステップS405)。 The condition determination unit 253 of the control unit 208-3 determines, for example, the observation time of the next cycle as the observation condition of the rotation according to the measurement result of the polarization rotation amount measuring device 211-3 (step S405).

量子信号検出のノイズを抑えるために、量子信号を示す光子とは異なる波長の参照光を放出する参照光源106−3を用いるとともに、分波器209−3は波長により光を区別して取り出す機構を備えることが望ましい。異なる波長の参照光を用いる場合は、量子信号と参照光は同じタイミングで分波器209−3へ到達してもよい。信号光と同じ波長の参照光を用いる場合には、到達時間で区別するために分波器209−3に異なるタイミングで到達する必要がある。 In order to suppress the noise of quantum signal detection, a reference light source 106-3 that emits reference light having a wavelength different from that of a photon indicating a quantum signal is used, and a demultiplexer 209-3 has a mechanism for distinguishing and extracting light according to wavelength. It is desirable to prepare. When reference lights of different wavelengths are used, the quantum signal and the reference light may reach the demultiplexer 209-3 at the same timing. When the reference light having the same wavelength as the signal light is used, it is necessary to reach the demultiplexer 209-3 at different timings in order to distinguish by the arrival time.

第3の実施形態も第2の実施形態と同様に、偏光の回転が速く大きく生じた場合のみに偏光回転量を推定するための参照光の観測時間を短くすることで、強風時の迅速な偏光補正と、定常時の安定的な偏光補正を両立することが可能となる。 Similar to the second embodiment, the third embodiment also shortens the observation time of the reference light for estimating the amount of polarization rotation only when the polarization rotation occurs quickly and greatly, so that the light can be quickly rotated in a strong wind. It is possible to achieve both polarization correction and stable polarization correction during steady operation.

以上説明したとおり、第1から第3の実施形態によれば、大きく速い外乱が生じたときの迅速な偏光補正、および、定常時の偏光補正の安定化が両立可能となる。 As described above, according to the first to third embodiments, it is possible to achieve both rapid polarization correction when a large and fast disturbance occurs and stabilization of polarization correction in a steady state.

最後に、第1〜第3の実施形態の各装置(送信装置、受信装置)の主要部のハードウェア構成の例について説明する。 Finally, an example of the hardware configuration of the main part of each device (transmitting device, receiving device) of the first to third embodiments will be described.

図13は、第1〜第3の実施形態の装置の主要部のハードウェア構成の例を示す図である。第1〜第3の実施形態の装置は、制御装置51、主記憶装置52、補助記憶装置53、光学処理装置54および通信I/F55を備える。制御装置51、主記憶装置52、補助記憶装置53、光学処理装置54および通信I/F55は、バス61を介して接続されている。 FIG. 13 is a diagram showing an example of a hardware configuration of a main part of the apparatus of the first to third embodiments. The devices of the first to third embodiments include a control device 51, a main storage device 52, an auxiliary storage device 53, an optical processing device 54, and a communication I / F 55. The control device 51, the main storage device 52, the auxiliary storage device 53, the optical processing device 54, and the communication I / F 55 are connected via the bus 61.

制御装置51は、補助記憶装置53から主記憶装置52に読み出されたプログラムを実行する。制御装置51は、例えばCPUである。主記憶装置52はROM(Read Only Memory)、および、RAM等のメモリである。補助記憶装置53はメモリカード、および、HDD等である。 The control device 51 executes the program read from the auxiliary storage device 53 to the main storage device 52. The control device 51 is, for example, a CPU. The main storage device 52 is a memory such as a ROM (Read Only Memory) and a RAM. The auxiliary storage device 53 is a memory card, an HDD, or the like.

光学処理装置54は、量子通信路11を介して、上述の単一光子を送信または受信する。通信I/F55は、光ファイバおよびイーサネット(登録商標)等の古典通信路12を介して、制御情報等を送信または受信する。 The optical processing device 54 transmits or receives the above-mentioned single photon via the quantum communication path 11. The communication I / F 55 transmits or receives control information and the like via a classical communication path 12 such as an optical fiber and Ethernet (registered trademark).

第1〜第3の実施形態の装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでCD−ROM、メモリカード、CD−R、および、DVD等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶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。 The program executed by the apparatus of the first to third embodiments is a file in an installable format or an executable format and can be read by a computer such as a CD-ROM, a memory card, a CD-R, and a DVD. It is stored on a storage medium and provided as a computer program product.

また第1〜第3の実施形態の装置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。また第1〜第3の実施形態の装置が実行するプログラムを、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。 Further, the program executed by the devices of the first to third embodiments may be stored on a computer connected to a network such as the Internet and provided by downloading via the network. Further, the program executed by the devices of the first to third embodiments may be configured to be provided via a network such as the Internet without being downloaded.

また第1〜第3の実施形態の装置で実行されるプログラムを、ROM等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。 Further, the program executed by the apparatus of the first to third embodiments may be configured to be provided by incorporating it in a ROM or the like in advance.

第1〜第3の実施形態の送信装置で実行されるプログラムは、上述の第1〜第3の実施形態の送信装置の機能構成のうち、プログラムにより実現可能な機能を含むモジュール構成となっている。また、第1〜第3の実施形態の受信装置で実行されるプログラムは、上述の第1〜第3の実施形態の受信装置の機能構成のうち、プログラムにより実現可能な機能を含むモジュール構成となっている。 The program executed by the transmitters of the first to third embodiments has a module configuration including functions that can be realized by the program among the functional configurations of the transmitters of the first to third embodiments described above. There is. Further, the program executed by the receiving device of the first to third embodiments has a module configuration including functions that can be realized by the program among the functional configurations of the receiving device of the first to third embodiments described above. It has become.

プログラムにより実現される機能は、制御装置51が補助記憶装置53等の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、プログラムにより実現される機能が主記憶装置52にロードされる。すなわちプログラムにより実現される機能は、主記憶装置52上に生成される。 As for the function realized by the program, the function realized by the program is loaded into the main storage device 52 when the control device 51 reads the program from the storage medium such as the auxiliary storage device 53 and executes the program. That is, the function realized by the program is generated on the main storage device 52.

なお第1〜第3の実施形態の装置の機能の一部を、IC等のハードウェアにより実現してもよい。ICは、例えば専用の処理を実行するプロセッサである。また複数のプロセッサを用いて各機能を実現する場合、各プロセッサは、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。 Note that some of the functions of the devices of the first to third embodiments may be realized by hardware such as an IC. The IC is, for example, a processor that executes dedicated processing. Further, when each function is realized by using a plurality of processors, each processor may realize one of each function, or may realize two or more of each function.

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。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.

11 量子通信路
12 古典通信路
51 制御装置
52 主記憶装置
53 補助記憶装置
54 光学処理装置
55 通信I/F
61 バス
100 送信装置
101 無偏光光源
102 偏光ビームスプリッタ
103、103−2 位相変調器
104 合波器
105 遅延回路
106−2、106−3 参照光源
107−2、107−3 合波器
110 光子送信部
120 鍵生成部
131 記憶部
200 受信装置
201 偏光回転装置
202 偏光ビームスプリッタ
203、203−2 位相変調器
204 遅延回路
205 ビームスプリッタ
206、 207光子検出器
208、208−2、208−3 制御部
209−3 分波器
210 光子受信部
211−3 偏光回転量測定器
220 鍵生成部
231 記憶部
251、251−2、251−3 偏光推定部
252 偏光補正出力部
253 条件決定部
254 信号出力部
11 Quantum communication path 12 Classical communication path 51 Control device 52 Main storage device 53 Auxiliary storage device 54 Optical processing device 55 Communication I / F
61 Bus 100 Transmitter 101 Unpolarized light source 102 Polarized beam splitter 103, 103-2 Phase modulator 104 Combiner 105 Delay circuit 106-2, 106-3 Reference light source 107-2, 107-3 Combiner 110 Photon transmission Unit 120 Key generation unit 131 Storage unit 200 Receiver 201 Polarized rotating device 202 Polarized beam splitter 203, 203-2 Phase modulator 204 Delay circuit 205 Beam splitter 206, 207 Photon detector 208, 208-2, 208-3 Control unit 209-3 Demultiplexer 210 Photon receiver 211-3 Polarization rotation amount measuring device 220 Key generation unit 231 Storage unit 251, 251-2, 251-3 Polarization estimation unit 252 Polarization correction output unit 253 Condition determination unit 254 Signal output unit

Claims (20)

量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定部と、
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部と、を備え
前記決定部は、一定時間観測した光子の量の標準偏差が第1閾値以上である場合に、一定時間観測した光子の量の標準偏差が第1閾値より小さい場合より前記観測量を小さくすることを示す前記観測条件を決定する、
通信装置。
An estimation unit that estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication,
It is provided with a determination unit that determines the observation conditions related to the observation amount of photons, which is a condition used for estimating the amount of rotation of polarized light .
When the standard deviation of the amount of photons observed for a certain period of time is equal to or greater than the first threshold value, the determination unit makes the observed amount smaller than the case where the standard deviation of the amount of photons observed for a certain period of time is smaller than the first threshold value. Determine the observation conditions that indicate
Communication device.
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定部と、
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部と、を備え、
前記決定部は、一定時間観測した光子の量が第2閾値より小さい場合に、一定時間観測した光子の量が前記第2閾値以上である場合より前記観測量を小さくすることを示す前記観測条件を決定する、
信装置。
An estimation unit that estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication,
It is provided with a determination unit that determines the observation conditions related to the observation amount of photons, which is a condition used for estimating the amount of rotation of polarized light.
The determination unit indicates that when the amount of photons observed for a certain period of time is smaller than the second threshold value, the observed amount is smaller than when the amount of photons observed for a certain period of time is equal to or greater than the second threshold value. To decide,
Communication equipment.
前記推定部は、光子の観測量の変化に基づいて、前記量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する、
請求項1または請求項2に記載の通信装置。
The estimation unit estimates the amount of polarization rotation of the photon used in the quantum cryptography communication based on the change in the observed amount of the photon.
The communication device according to claim 1 or 2.
前記推定部は、前記量子暗号通信に用いる光子の観測量の変化に基づいて、前記量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する、
請求項に記載の通信装置。
The estimation unit estimates the polarization rotation amount of the photon used in the quantum cryptography communication based on the change in the observed amount of the photon used in the quantum cryptography communication.
The communication device according to claim 3.
前記推定部は、前記量子暗号通信に用いる光子と異なる光子の観測量の変化に基づいて、前記量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する、
請求項に記載の通信装置。
The estimation unit estimates the polarization rotation amount of the photon used in the quantum cryptography communication based on the change in the observed amount of the photon different from the photon used in the quantum cryptography communication.
The communication device according to claim 3.
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定部と、
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部と、を備え、
前記決定部は、定常時に一定時間観測した光子の量が大きいほど、前記観測量がより小さくなることを示す前記観測条件の初期値を決定する、
信装置。
An estimation unit that estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication,
It is provided with a determination unit that determines the observation conditions related to the observation amount of photons, which is a condition used for estimating the amount of rotation of polarized light.
The determination unit determines the initial value of the observation condition indicating that the larger the amount of photons observed for a certain period of time in the steady state, the smaller the observed amount.
Communication equipment.
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定部と、
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部と、を備え、
前記推定部は、前記光子の送信に用いられる光通信路の屈折率に影響する要因を検知するセンサからの出力信号に基づいて、前記光子の偏光回転量を推定する、
信装置。
An estimation unit that estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication,
It is provided with a determination unit that determines the observation conditions related to the observation amount of photons, which is a condition used for estimating the amount of rotation of polarized light.
The estimation unit estimates the amount of polarization rotation of the photon based on an output signal from a sensor that detects a factor affecting the refractive index of the optical communication path used for transmitting the photon.
Communication equipment.
前記観測条件は、光子の観測時間、または、光子のカウント数である、
請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の通信装置。
The observation condition is the observation time of photons or the count number of photons.
The communication device according to any one of claims 1 to 7.
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定ステップと、An estimation step for estimating the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography,
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定ステップと、を含み、A condition used for estimating the amount of rotation of polarized light, which includes a determination step for determining an observation condition regarding an observation amount of photons.
前記決定ステップは、一定時間観測した光子の量の標準偏差が第1閾値以上である場合に、一定時間観測した光子の量の標準偏差が第1閾値より小さい場合より前記観測量を小さくすることを示す前記観測条件を決定する、In the determination step, when the standard deviation of the amount of photons observed for a certain period of time is equal to or greater than the first threshold value, the observed amount is made smaller than when the standard deviation of the amount of photons observed for a certain period of time is smaller than the first threshold value. Determine the observation conditions that indicate
通信方法。Communication method.
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定ステップと、An estimation step for estimating the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography,
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定ステップと、を含み、A condition used for estimating the amount of rotation of polarized light, which includes a determination step for determining an observation condition regarding an observation amount of photons.
前記決定ステップは、一定時間観測した光子の量が第2閾値より小さい場合に、一定時間観測した光子の量が前記第2閾値以上である場合より前記観測量を小さくすることを示す前記観測条件を決定する、The determination step indicates that when the amount of photons observed for a certain period of time is smaller than the second threshold value, the observed amount is made smaller than when the amount of photons observed for a certain period of time is equal to or greater than the second threshold value. To decide,
通信方法。Communication method.
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定ステップと、An estimation step for estimating the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography,
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定ステップと、を含み、A condition used for estimating the amount of rotation of polarized light, which includes a determination step for determining an observation condition regarding an observation amount of photons.
前記決定ステップは、定常時に一定時間観測した光子の量が大きいほど、前記観測量がより小さくなることを示す前記観測条件の初期値を決定する、The determination step determines the initial value of the observation condition indicating that the larger the amount of photons observed for a certain period of time in the steady state, the smaller the observed amount.
通信方法。Communication method.
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定ステップと、
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定ステップと、を含み、
前記推定ステップは、前記光子の送信に用いられる光通信路の屈折率に影響する要因を検知するセンサからの出力信号に基づいて、前記光子の偏光回転量を推定する、
通信方法
An estimation step for estimating the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography,
A condition used for estimating the amount of rotation of polarized light, which includes a determination step for determining an observation condition regarding an observation amount of photons.
The estimation step estimates the amount of polarization rotation of the photon based on an output signal from a sensor that detects a factor affecting the refractive index of the optical communication path used for transmitting the photon.
Communication method .
コンピュータを、Computer,
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定部と、An estimation unit that estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication,
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部として機能させ、It is a condition used for estimating the amount of rotation of polarized light, and functions as a determinant for determining the observation condition regarding the amount of photon observation.
前記決定部は、一定時間観測した光子の量の標準偏差が第1閾値以上である場合に、一定時間観測した光子の量の標準偏差が第1閾値より小さい場合より前記観測量を小さくすることを示す前記観測条件を決定する、When the standard deviation of the amount of photons observed for a certain period of time is equal to or greater than the first threshold value, the determination unit makes the observed amount smaller than the case where the standard deviation of the amount of photons observed for a certain period of time is smaller than the first threshold value. Determine the observation conditions that indicate
プログラム。program.
コンピュータを、Computer,
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定部と、An estimation unit that estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication,
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部として機能させ、It is a condition used for estimating the amount of rotation of polarized light, and functions as a determinant for determining the observation condition regarding the amount of photon observation.
前記決定部は、一定時間観測した光子の量が第2閾値より小さい場合に、一定時間観測した光子の量が前記第2閾値以上である場合より前記観測量を小さくすることを示す前記観測条件を決定する、The determination unit indicates that when the amount of photons observed for a certain period of time is smaller than the second threshold value, the observed amount is smaller than when the amount of photons observed for a certain period of time is equal to or greater than the second threshold value. To decide,
プログラム。program.
コンピュータを、Computer,
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定部と、An estimation unit that estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication,
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部として機能させ、It is a condition used for estimating the amount of rotation of polarized light, and functions as a determinant for determining the observation condition regarding the amount of photon observation.
前記決定部は、定常時に一定時間観測した光子の量が大きいほど、前記観測量がより小さくなることを示す前記観測条件の初期値を決定する、The determination unit determines the initial value of the observation condition indicating that the larger the amount of photons observed for a certain period of time in the steady state, the smaller the observed amount.
プログラム。program.
コンピュータを、
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定部と、
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部として機能させ、
前記推定部は、前記光子の送信に用いられる光通信路の屈折率に影響する要因を検知するセンサからの出力信号に基づいて、前記光子の偏光回転量を推定する、
プログラム
Computer,
An estimation unit that estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication,
It is a condition used for estimating the amount of rotation of polarized light, and functions as a determinant for determining the observation condition regarding the amount of photon observation.
The estimation unit estimates the amount of polarization rotation of the photon based on an output signal from a sensor that detects a factor affecting the refractive index of the optical communication path used for transmitting the photon.
Program .
送信装置と、受信装置とを備える通信システムであって、A communication system including a transmitting device and a receiving device.
前記送信装置は、The transmitter is
量子暗号通信に用いる光子を前記受信装置に送信する光子送信部を備え、A photon transmitter for transmitting photons used for quantum cryptography communication to the receiving device is provided.
前記受信装置は、The receiving device is
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定部と、An estimation unit that estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication,
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部と、を備え、It is provided with a determination unit that determines the observation conditions related to the observation amount of photons, which is a condition used for estimating the amount of rotation of polarized light.
前記決定部は、一定時間観測した光子の量の標準偏差が第1閾値以上である場合に、一定時間観測した光子の量の標準偏差が第1閾値より小さい場合より前記観測量を小さくすることを示す前記観測条件を決定する、When the standard deviation of the amount of photons observed for a certain period of time is equal to or greater than the first threshold value, the determination unit makes the observed amount smaller than the case where the standard deviation of the amount of photons observed for a certain period of time is smaller than the first threshold value. Determine the observation conditions that indicate
通信システム。Communications system.
送信装置と、受信装置とを備える通信システムであって、A communication system including a transmitting device and a receiving device.
前記送信装置は、The transmitter is
量子暗号通信に用いる光子を前記受信装置に送信する光子送信部を備え、A photon transmitter for transmitting photons used for quantum cryptography communication to the receiving device is provided.
前記受信装置は、The receiving device is
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定部と、An estimation unit that estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication,
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部と、を備え、It is provided with a determination unit that determines the observation conditions related to the observation amount of photons, which is a condition used for estimating the amount of rotation of polarized light.
前記決定部は、一定時間観測した光子の量が第2閾値より小さい場合に、一定時間観測した光子の量が前記第2閾値以上である場合より前記観測量を小さくすることを示す前記観測条件を決定する、The determination unit indicates that when the amount of photons observed for a certain period of time is smaller than the second threshold value, the observed amount is smaller than when the amount of photons observed for a certain period of time is equal to or greater than the second threshold value. To decide,
通信システム。Communications system.
送信装置と、受信装置とを備える通信システムであって、A communication system including a transmitting device and a receiving device.
前記送信装置は、The transmitter is
量子暗号通信に用いる光子を前記受信装置に送信する光子送信部を備え、A photon transmitter for transmitting photons used for quantum cryptography communication to the receiving device is provided.
前記受信装置は、The receiving device is
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定部と、An estimation unit that estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication,
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部と、を備え、It is provided with a determination unit that determines the observation conditions related to the observation amount of photons, which is a condition used for estimating the amount of rotation of polarized light.
前記決定部は、定常時に一定時間観測した光子の量が大きいほど、前記観測量がより小さくなることを示す前記観測条件の初期値を決定する、The determination unit determines the initial value of the observation condition indicating that the larger the amount of photons observed for a certain period of time in the steady state, the smaller the observed amount.
通信システム。Communications system.
送信装置と、受信装置とを備える通信システムであって、
前記送信装置は、
量子暗号通信に用いる光子を前記受信装置に送信する光子送信部を備え、
前記受信装置は、
量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定部と、
前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部と、を備え、
前記推定部は、前記光子の送信に用いられる光通信路の屈折率に影響する要因を検知するセンサからの出力信号に基づいて、前記光子の偏光回転量を推定する、
通信システム
A communication system including a transmitting device and a receiving device.
The transmitter is
A photon transmitter for transmitting photons used for quantum cryptography communication to the receiving device is provided.
The receiving device is
An estimation unit that estimates the amount of polarization rotation of photons used in quantum cryptography communication,
It is provided with a determination unit that determines the observation conditions related to the observation amount of photons, which is a condition used for estimating the amount of rotation of polarized light.
The estimation unit estimates the amount of polarization rotation of the photon based on an output signal from a sensor that detects a factor affecting the refractive index of the optical communication path used for transmitting the photon.
Communication system .
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