JP7540668B2

JP7540668B2 - 光秘匿通信システムおよび光秘匿通信装置

Info

Publication number: JP7540668B2
Application number: JP2021003651A
Authority: JP
Inventors: 正隆中沢; 真人吉田; 俊彦廣岡
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2021-01-13
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2024-08-27
Anticipated expiration: 2041-01-13
Also published as: JP2022108576A

Description

本発明は、伝達する情報を盗聴者に知られることなく受信者に送る光秘匿通信に係り、安全性が高くかつ高速な光秘匿通信システムおよび光秘匿通信装置に関するものである。

近年、インターネットを活用したビジネスが急速に発展し、個人情報や機密情報の伝達にも光通信ネットワークが活用されるようになっている。そのような中、光通信ネットワークの高速大容量化とともに、情報の安全性を確保することが重要になってきている。光秘匿通信に用いられる量子暗号としては、量子鍵配送と光の量子雑音を利用したストリーム暗号（以降、QNSC：Quantum Noise Stream Cipherと呼ぶ）とがよく知られている。前者は、ストリーム暗号伝送で使用される共通鍵を、単一光子や微弱なコヒーレント光で伝送することにより、無条件安全に鍵を配送することができるといわれている（例えば、非特許文献１、２参照）。しかし、元の通信文と同じ長さの使い捨ての共通鍵を受信者に配送する必要があり、暗号通信の速度は鍵配送の速度（数100 kbps）で制限されてしまうといった問題点がある。

これに対し、QNSCは、現状の光ネットワーク上で実用化ができ、数10 Gbit/sの高速通信が実現できる共通鍵量子暗号として期待されている（例えば、非特許文献３、４、５、６、特許文献１、２、３参照）。QNSCでは、共通鍵をもとに生成した擬似乱数を用いて、光信号の位相あるいは振幅あるいはその両方を多値変調し、光の位相もしくは振幅揺らぎ（これを量子雑音と呼ぶ）の中にデータ情報を埋め込むことにより、盗聴者が光信号を正確に受信できないようにしている。この方式では、完全秘匿性は得られないものの、変調レベルの多値度を大きくして、被変調光信号の振幅あるいは位相あるいはその両方の変化の間隔を、光検出の際に付与される量子雑音と比べ十分に小さくすることで、盗聴者が正しく信号レベルを判定できる確率を下げ、実用上問題のないレベルまで安全性を高めることができる。

C. H. Bennett and G. Brassard, "Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing", Proc. IEEE Int. Conf. Computers, Systems and Signal Processing, 1984, pp.175-179 T. Hirano, H. Yamanaka, M. Ashikaga, T. Konishi, and R. Namiki, "Quantum cryptography using pulsed homodyne detection", Phys. Rev. A 68, 2003, 042331 G. A. Barbosa, E. Corndorf, P. Kumar, H. P. Yuen, "Secure communication using mesoscopic coherent state", Phys. Rev. Lett.,2003, vol. 90, 227901 O. Hirota, K. Kato, M. Sohma, T. Usuda, K. Harasawa, "Quantum stream cipher based on optical communication", SPIE Proc. on Quantum Communications and Quantum Imaging, 2004, vol-5551 広田修、「光通信ネットワークと量子暗号」、電子情報通信学会論文誌 B、2004年、vol. J87-B、pp.478-486 M. Nakazawa, M. Yoshida, T. Hirooka, and K. Kasai, "QAM quantum stream cipher using digital coherent optical transmission", Opt. Express, 2014. vol. 22, pp.4098-4107

特開２００６－３０３９２７号公報特開２０１４－９３７６４号公報特開２０１７－５０６７８号公報

これまでに報告されているQNSC伝送システムにおける、QNSC信号の生成の様子を図３に示す。ここでは、変調信号として直交振幅変調（QAM: Quadrature Amplitude Modulation）方式を用いた場合を例にとっている。一般に用いられている光秘匿通信方式では、共通鍵#１で生成した乱数列#１を用いた排他論理和の演算により、オリジナルのバイナリーデータ（元データ）を数理的に暗号化し、その暗号化信号を所定のフォーマット（図３においては16 QAM）にマッピングして、光ファイバを介して送信している。この場合、盗聴者は、光ファイバ伝送路に曲げ損を与えるなどして、クラッドへの漏れ光から16 QAM信号を高感度に検出し、例えば総当たりに乱数列#１の情報を探ることにより、元データを解読できる可能性がある。

QNSC方式では、このリスクを回避するために、共通鍵#２で生成した乱数列#2を用いて、16 QAM信号をさらにM×M値の超多値QAMフォーマットで暗号化し、その暗号化信号レベルをレーザならびに光増幅器から放出される量子雑音によりマスキングした形で情報を送信する。即ち、光信号の振幅と位相の情報を同時に拡散させた2次元の物理暗号である。例えば、Mを1024に設定することにより、暗号化QAM信号の多値度は、M²≒10⁶となる。この場合、盗聴者は100万通りある信号レベルから真値を判定しなければならず、その解読は極めて困難なものになる。しかしながら、QNSCシステムでは、10⁶～10⁷程度の光子から成る強い光信号を利用するため、単一光子相当の微弱な信号を扱うQKDのような量子雑音による完全なマスキング効果を得ることはできない。そのため、送信した信号に含まれる乱数列#2の情報の一部は盗聴者に漏れ、極めて低い確率ではあるが、多数の信号から得た情報をもとに盗聴者に乱数列#2が解読されてしまう可能性があるという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、高速伝送を得意とするQNSC信号を時間軸にも拡散させ、データの振幅および位相の多値化に用いる乱数列の情報も暗号化することにより、従来のQNSCよりも安全性が高く、かつ高速伝送可能な光秘匿通信システムおよび光秘匿通信装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明に係る光秘匿通信システムは、量子雑音を用いて光信号の位相あるいは振幅レベルの少なくとも一方をマスキングするQNSCを利用した光秘匿通信伝送システムであって、送信部と受信部とを有し、前記送信部は、データ信号を暗号化し、その暗号化された信号を、共通鍵を用いて時間軸上にランダムに拡散させた上で前記マスキングを施し、QNSC信号として送信し、前記受信部において、前記送信部との間で予め共有した前記共通鍵を用いて、正しいタイミングで前記QNSC信号を受信するよう構成されていることを特徴とする。

本発明に係る光秘匿通信装置は、量子雑音を用いて光信号の位相あるいは振幅レベルの少なくとも一方をマスキングする量子雑音ストリーム暗号（QNSC）を利用した光秘匿通信装置であって、送信部と受信部とを有し、前記送信部は、データ信号を暗号化し、その暗号化された信号を、共通鍵を用いて時間軸上にランダムに拡散させた上で前記マスキングを施し、QNSC信号として送信し、前記受信部において、前記送信部との間で予め共有した前記共通鍵を用いて、正しいタイミングで前記QNSC信号を受信するよう構成されていることを特徴とする。

本発明に係る光秘匿通信システムおよび光秘匿通信装置は、前記時間軸上に拡散させるとき、盗聴を困難にするために用意したダミー信号の時系列の中に、ランダムに前記暗号化された信号を挿入するよう構成されていてもよく、前記暗号化された信号の順序をランダムに入れ替えるよう構成されていてもよい。

本発明に係る光秘匿通信システムおよび光秘匿通信装置は、変調方式として、光強度変調あるいは光位相変調あるいは直交振幅変調を利用することが好ましい。

また、本発明に係る光秘匿通信システムおよび光秘匿通信装置は、前記共通鍵として、量子鍵配送技術を用いて安全に配信された秘密鍵を用いることが好ましい。この場合、安全性をより高めることができる。

本発明によると、高速伝送を得意とするQNSC信号の暗号化に用いる乱数列の情報も二重に暗号化することにより、高い安全性と高速性を兼ね備えた光秘匿通信を実現することができる、光秘匿通信システムおよび光秘匿通信装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る光秘匿通信システムおよび光秘匿通信装置の、(a)送信部を示すブロック図、(b)QNSC信号の時間軸における拡散の様子を示す説明図、(c)受信部を示すブロック図である。本発明の第２実施形態に係る光秘匿通信システムおよび光秘匿通信装置の、(a)送信部を示すブロック図、(b)QNSC信号の時間軸における拡散の様子を示す説明図、(c)受信部を示すブロック図である。従来のQAM方式を用いたQNSC信号の生成の様子を示す説明図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
本発明における第１実施形態に係る光秘匿通信システムおよび光秘匿通信装置の、送信部、QNSC信号の時間軸における拡散の様子、受信部を、図１に示す。

図１（a）に例示する光秘匿通信システムの送信部は、共通鍵１をシード鍵としてデータ信号の暗号化を図るQNSC送信器２と、QNSC送信器２より出力された電気暗号化信号を光配信する際に搬送波として使用する光を発するCW光源３と、CW光源３からの光を光変調するための光変調器４と、光変調した光信号に付与する雑音信号を発生する雑音源５と、その光信号と雑音信号とを合波する光合波器６とを備える。

QNSC送信器２は、共通鍵１を分配する鍵分配回路７と、分配した鍵を元に乱数列を生成する乱数列生成回路８－１、８－２、８－３と、バイナリーデータを生成するデータ信号生成回路９と、データ信号生成回路９から出力されるnビットのバイナリーデータを、乱数列生成回路８－１から出力されるnビットの乱数列で暗号化する際に利用する排他論理和回路１０と、乱数列生成回路８－２から出力されるmビットの乱数列の順序をランダムに入れ替えるランダムマッピング回路１１と、排他論理和で暗号化されたnビットのデータとランダムにマッピングされたmビットの乱数列とを加算して、n + mビットの暗号化信号を生成する加算回路１２と、盗聴を困難にするために利用するダミーのバイナリーデータを生成するダミー信号生成回路１３と、乱数列生成回路８－３から出力されるlビットの乱数列を元に、真の暗号化信号とダミー信号とを選択して出力するセレクタ１４と、セレクタ１４より出力されたn＋mビットのバイナリー信号を、所望のフォーマットの変調信号に変換するエンコーダ１５と、エンコーダ１５から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換する高速D/A変換器１６とから成る。

例えば、暗号化信号の変調フォーマットとして直交振幅変調（QAM：Quadrature Amplitude Modulation）を用いる場合、乱数列生成回路８－１、８－２、データ信号生成回路９、排他論理和回路１０、ランダムマッピング回路１１および加算回路１２を、I（同位相）とQ（直交位相）信号生成用にそれぞれ二式ずつ設ければよい。また、これに合わせ、高速D/A変換器１６も二式設け、光変調器４としてQAM変調器を利用することができる。一方、暗号化信号の変調フォーマットとして光位相変調あるいは光強度（振幅）変調を用いる場合、乱数列生成回路８－１、８－２、データ信号生成回路９、排他論理和回路１０、ランダムマッピング回路１１、加算回路１２および高速D/A変換器１６はそれぞれ一式ずつあればよく、光変調器４として光位相変調器あるいは光強度変調器を用いればよい。

CW光源３から発する光として、例えば狭線幅の半導体レーザやファイバレーザを用いることができる。雑音源５で発生させる雑音信号の一例としては、エルビウム添加光ファイバ増幅器やラマン光増幅器から出力される自然放出光、あるいは不規則なパターン光信号が挙げられる。

図１（a）の送信部において、QNSC信号が時間軸に拡散される様子を図１（b）に示す。従来のQNSC伝送システムでは、nビットのIまたはQデータをmビットの乱数列で多値化した暗号化信号を、量子雑音を付与した上で、時間に対し連続的に送信していた。ここで、暗号化信号は10⁶～10⁷個程度の光子から成る強い光であるため、量子雑音により全ての情報を覆い隠すことはできない。そのため、盗聴された信号から1シンボル毎にmビットの乱数列の情報が少しずつ洩れていき、連続する多シンボルから得た情報を並べることで乱数列パターンが解読されてしまう可能性は排除しきれなかった。この問題を解決するために、データを含まないダミーシンボルを時間軸上の各タイムスロットに用意し、その中に暗号化信号（真シンボル）を拡散させる。その際、lビットの乱数列（N=2^l通りのパターン）の情報で定めたタイミングで、N－１シンボルのダミー信号の中に1つの真シンボルを挿入する。この乱数列を予め送受信者間で持ち合い、真シンボルの位置情報を共有しておく。Nが大きいほど真シンボルの検出確率は低減し、盗聴に対する安全性を高めることができる。一方、データ速度は1/Nに低下する関係にあるため、安全性と高速性の両面に配慮してN値を設定すればよい。

図１（c）に例示する光秘匿通信システムの受信部は、受信した時間軸上に拡散されたQSNC信号をホモダインあるいはヘテロダイン検波するための局発光源１７およびコヒーレント検波回路１８と、送信部と同一の共通鍵１をシード鍵としてデータ信号の復号化を図るQNSC受信器１９とを備える。

QNSC受信器１９は、コヒーレント受信回路１８で受信したアナログ信号をデジタル信号に変換する高速A/D変換器２０と、A/D変換した１０進数の暗号化デジタル信号をバイナリー信号に変換するデコーダ２１と、ダミー信号の中から真の暗号化信号のみ選択して抽出するためのセレクタ２２と、共通鍵１を元に暗号化信号を復号化する復号化回路とから成る。復号化回路は、引算回路２３を除き、送信部における暗号化回路と同じ構成である。

例えば、暗号化信号の変調フォーマットとしてQAMを使用したQSNC信号を、局発光源１７を用いてホモダイン検波する場合、コヒーレント受信回路１８には９０度ハイブリッドと2台のバランスPDとを用いる。また、高速A/D変換器２０、引算回路２３、乱数列生成回路２４－１、２４－２、排他論理和回路２５、およびランダムマッピング回路２６は、IとQ信号の復調のためにそれぞれ二式ずつ設ければよい。一方、暗号化信号の変調フォーマットとして光位相変調あるいは光振幅変調を用いる場合、コヒーレント受信回路１８には1台のバランスPDを使用し、高速A/D変換器２０、引算回路２３、乱数列生成回路２４－１、２４－２、排他論理和回路２５、およびランダムマッピング回路２６はそれぞれ一式ずつで済む。さらに、暗号化信号の変調フォーマットとして符号情報を持たない光強度変調を利用する場合は、局発光源１７は不要であり、またコヒーレント受信回路１８は通常のフォトダイオードを用いることができる。

局発光源１７の光位相を、送信したQSNC信号の光位相に同期を図る手法の一例として、光位相同期ループ回路あるいは光注入同期回路を用いた位相制御法が挙げられる。また、送信部においてQSNC信号を生成する際に、その信号と直交する偏波にCW光源３と位相同期したトーン信号を立て、一方、受信部において、このトーン信号を偏波分離して抽出し、それを局発光源１７の代わりに利用する自己遅延ホモダイン検波系を採用することもできる。

図１（a）および（c）に示す送信部と受信部に、それぞれ波長多重回路および波長分離回路を設け、多波長の光源を利用した波長分割多重伝送を行うことで、光秘匿通信システムの伝送容量を増大させることもできる。

図１（a）および（c）に示す送信部と受信部に、それぞれ偏波多重回路および偏波分離回路を設け、偏波多重伝送方式を利用して光秘匿通信システムの伝送容量を倍増することもできる。

本発明における第２実施形態に係る光秘匿通信システムおよび光秘匿通信装置の、送信部、QNSC信号の時間軸における拡散の様子、受信部を、図２に示す。

図２（a）に例示する光秘匿通信システムの送信部は、QNSC送信器２’のみ第１実施形態と異なる。

QNSC送信器２’は、共通鍵１を分配する鍵分配回路７と、分配した鍵を元に乱数列を生成する乱数列生成回路８－１、８－２、８－３と、バイナリーデータを生成するデータ信号生成回路９と、データ信号生成回路９から出力されるnビットのバイナリーデータを、乱数列生成回路８－１から出力されるnビットの乱数列で暗号化する際に利用する排他論理和回路１０と、乱数列生成回路８－２から出力されるmビットの乱数列の順序をランダムに入れ替えるランダムマッピング回路１１と、排他論理和で暗号化されたnビットのデータとランダムにマッピングされたmビットの乱数列とを加算して、n + mビットの暗号化信号を生成する加算回路１２と、乱数列生成回路８－３から出力されるlビットの乱数列を元に暗号化信号の順序を入れ替える順序入替回路３１と、順序入替回路３１から出力されたn＋mビットのバイナリー信号を、所望のフォーマットの変調信号に変換するエンコーダ１５と、エンコーダ１５から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換する高速D/A変換器１６から成る。

図２（a）の送信部において、QNSC信号が時間軸に拡散される様子を図２（b）に示す。lビットの乱数列の情報を元に、順序入替回路３１を用いて、N’シンボルを1ブロックとしてブロック内で暗号化信号の順序をランダムに入れ替える。具体的には、順序入替回路３１内にN’シンボル分の情報をメモリに蓄え、乱数列の番号と並び順との関係を定義したテーブルを元に、蓄えたN’シンボルの順序を入れ替える。その全ての入れ替え方（N’の階乗通り）をlビットの乱数列（最大2^l通りのパターン）で選択できるよう、N’の階乗<2^lの関係を満たす範囲でN’を設定すればよい。さらに、メモリにおいて、乱数に沿って情報の順序を入れ替えるばかりでなく、その順序を数学的なある法則（ソフトウェア暗号）に則って決定することも可能である。第１実施形態と異なり、データ速度を落とすことなく、時間軸での暗号化信号の拡散を実施できることが特徴である。

図２（c）に例示する光秘匿通信システムの受信部は、QNSC受信器１９’のみ第１実施形態と異なる。

QNSC受信器１９’は、コヒーレント受信回路１８で受信したアナログ信号をデジタル信号に変換する高速A/D変換器２０と、A/D変換した１０進数の暗号化デジタル信号をバイナリー信号に変換するデコーダ２１と、順序が入れ替わった暗号化信号を正規の順序に復元する順序復元回路３２と、共通鍵１を元に暗号化信号を復号化する復号化回路とから成る。復号化回路は、引算回路２３を除き、送信部における暗号化回路と同じ構成である。

なお、第１または第２の実施形態において、QNSC伝送システムに用いる変調方式として、光強度変調、光位相変調または直交振幅変調を利用することができる。

また、第１または第２の実施形態において、共通鍵１として、量子鍵配送技術を用いて配信された秘密鍵を用いることで安全性をさらに向上させることができる。

１共通鍵
２ QNSC送信器
３ CW光源
４光変調器
５雑音源
６光合波器
７鍵分配回路
８－１，８－２，８－３乱数列生成回路
９データ信号生成回路
１０排他論理和回路
１１ランダムマッピング回路
１２加算回路
１３ダミー信号生成回路
１４セレクタ
１５エンコーダ
１６高速D/A変換器

１７局発光源
１８コヒーレント受信回路
１９ QNSC受信器
２０高速A/D変換器
２１デコーダ
２２セレクタ
２３引算回路
２４－１，２４－２，２４－３乱数列生成回路
２５排他論理和回路
２６ランダムマッピング回路

２’ QNSC送信器
３１順序入替回路
１９’ QNSC受信器
３２順序復元回路

Claims

量子雑音を用いて光信号の位相あるいは振幅レベルの少なくとも一方をマスキングする量子雑音ストリーム暗号（QNSC）を利用した光秘匿通信システムであって、
送信部と受信部とを有し、
前記送信部は、データ信号を暗号化し、その暗号化された信号を、共通鍵を用いて時間軸上にランダムに拡散させた上で前記マスキングを施し、QNSC信号として送信し、前記受信部において、前記送信部との間で予め共有した前記共通鍵を用いて、正しいタイミングで前記QNSC信号を受信するよう構成されていることを
特徴とする光秘匿通信システム。
前記時間軸上に拡散させるとき、盗聴を困難にするために用意したダミー信号の時系列の中に、ランダムに前記暗号化された信号を挿入するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光秘匿通信システム。
前記時間軸上に拡散させるとき、前記暗号化された信号の順序をランダムに入れ替えるよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光秘匿通信システム。
変調方式として、光強度変調あるいは光位相変調あるいは直交振幅変調を利用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光秘匿通信システム。
前記共通鍵として、量子鍵配送技術を用いて安全に配信された秘密鍵を用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光秘匿通信システム。
量子雑音を用いて光信号の位相あるいは振幅レベルの少なくとも一方をマスキングする量子雑音ストリーム暗号（QNSC）を利用した光秘匿通信装置であって、
送信部と受信部とを有し、
前記送信部は、データ信号を暗号化し、その暗号化された信号を、共通鍵を用いて時間軸上にランダムに拡散させた上で前記マスキングを施し、QNSC信号として送信し、前記受信部において、前記送信部との間で予め共有した前記共通鍵を用いて、正しいタイミングで前記QNSC信号を受信するよう構成されていることを
特徴とする光秘匿通信装置。
前記時間軸上に拡散させるとき、盗聴を困難にするために用意したダミー信号の時系列の中にランダムに前記暗号化された信号を挿入するよう構成されていることを特徴とする請求項６に記載の光秘匿通信装置。
前記時間軸上に拡散させるとき、前記暗号化された信号の順序をランダムに入れ替えるよう構成されていることを特徴とする請求項６に記載の光秘匿通信装置。
変調方式として、光強度変調あるいは光位相変調あるいは直交振幅変調を利用することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の光秘匿通信装置。
前記共通鍵として、量子鍵配送技術を用いて安全に配信された秘密鍵を用いることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の光秘匿通信装置。