JP2008541660A - 量子情報のマルチチャネル伝送 - Google Patents

Abstract

量子キー配布（ＱＫＤ）についての波長（周波数）分割多重化を使用するように構成される通信システム。一実施形態においては、本発明の通信システムは、伝送リンクを経由して送信機を受信機に接続している。送信機は、（ｉ）第１の複数の一様に間隔をおいて配置された周波数成分を生成するように構成される光周波数コム源（ＯＦＣＳ）と、（ｉｉ）それらの第１の複数のものの各成分を独立に変調して、伝送リンクに印加される量子情報（ＱＩ）信号を生成するように構成される第１のマルチチャネル光変調器とを有する。受信機は、（ｉ）第２の複数の一様に間隔をおいて配置された周波数成分を生成するように構成される第２のＯＦＣＳと、（ｉｉ）それらの第２の複数のものの各成分を独立に変調して、局部発振器（ＬＯ）信号を生成するように構成される第２のマルチチャネル光変調器とを有する。第１および第２の光周波数コム源のそれぞれは、これらのコム源によって生成される周波数成分が実質的に同じ周波数を有するように、周波数標準に対して基準が合わされる。受信機は、ＬＯ信号をＱＩ信号と結合することにより生成される干渉信号を処理して、ＱＩ信号によって搬送される量子情報を確認するように構成されるマルチチャネル・ホモダイン検出器を使用する。

Description

本発明は、光通信装置に関し、より詳細には、量子暗号を使用した暗号化データの伝送のための装置に関する。

本出願は、２００５年５月１７日に出願され、「Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ」という名称の米国仮特許出願第６０／６８１，７２６号からの優先権を主張するものである。本出願の主題は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている、本出願と同じ日付に出願され、「Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｉｎｇ ｉｎ ａ Ｍｕｌｔｉ−Ｃｈａｎｎｅｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称の米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号の主題に関連している。

暗号は、多くの場合に強化されたプライバシー、あるいはさらに完全なプライバシーを守って２つ以上のノード（ユーザ、局）間でメッセージを交換するために使用される。典型的な暗号の方法は、そのアルゴリズムに関連して使用されるシークレット・キー（ｓｅｃｒｅｔ ｋｅｙ）によって伝送される情報の機密保持が実現された、公開して通知される暗号化／暗号解読アルゴリズムを使用する。通常、シークレット・キーは、ランダムに選択される十分に長いビット・シーケンスである。例えば、対称暗号化スキームにおいては、送信局は、シークレット・キーを使用して情報を暗号化し、パブリック・チャネル（ｐｕｂｌｉｃ ｃｈａｎｎｅｌ）上で受信局に対して暗号化されたデータを送信する。次いで受信局は、同じキーを使用してその暗号化を元に戻し、元の情報を回復する。

キーが長くなればなるほど、システムは、より高度にセキュリティ保護されたものになることがよく知られている。例えば、１つの広く使用される暗号化システム、すなわちデータ暗号化規格（Ｄａｔａ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）（ＤＥＳ）は、５６ビットのキーの長さを有する。キーのすべての２^５６個の可能性のある値を試みるよりも実質的により効率的な方法は、ＤＥＳを解読することについて知られてはいない。しかし、盗聴者がかなりの計算能力を有する場合には、ＤＥＳを打ち負かすことができる可能性が依然としてある。したがって、より高いセキュリティを達成するためには、ワンタイム・パッド（ｏｎｅ−ｔｉｍｅ ｐａｄ）（すなわち、伝送されるメッセージと同じ長さのキー）を使用することもできる。ワンタイム・パッドを使用する通信システムは、非常に大きな計算能力に基づいた攻撃に対して理論的にセキュリティ上安全であるが、それにもかかわらず、そのようなシステムは、キー配布問題、すなわち送信／受信局に対してキーをセキュリティ上安全に支給する問題として知られているものを処理する必要がある。

盗聴者による受動的な監視を受ける可能性のある従来の（古典的な）キー伝送方法を用いては、認証可能なシークレット・キーを伝送することは比較的難しく、厄介な物理的なセキュリティ対策が通常は必要とされる。しかし、セキュリティ上安全なキー配布が、量子技法を用いて可能である。より詳細には、量子暗号においては、シークレット・キーは、セキュリティが量子力学（ｑｕａｎｔｕｍ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ）の原理に基づいている専用量子チャネル（ｓｐｅｃｉａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｈａｎｎｅｌ）を介して伝送される。より詳細には、適切に選択される量子系（ｑｕａｎｔｕｍ ｓｙｓｔｅｍ）のどのような測定もその系の量子状態を必然的に修正してしまうことが知られている。したがって、盗聴者が、測定を実行することにより量子チャネルから情報を取り出そうと試みるときに、測定が実行されていることは、合法的なユーザによって検出することができ、次いでこのユーザは、すべての損なわれたキーを捨てることになる。

実際には量子チャネルは、例えば、（ｉ）キー・ビットがフォトンの偏光（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）または位相によって符号化された、光ファイバを介して伝搬する単一フォトンのトレイン（ｔｒａｉｎ）、または（ｉｉ）それぞれが少数の（例えば、数百個よりも少ない）フォトンを含み、キー・ビットが各パルスを特徴づける選択された変数の直交値（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｖａｌｕｅｓ）によって符号化された、コヒーレントな光パルスのトレインを使用して確立することができる。代表的な量子チャネルの確立と使用に関するさらなる詳細は、例えば、その教示が参照により本明細書に組み込まれている、Ｎ．Ｇｉｓｉｎ、Ｇ．Ｒｉｂｏｒｄｙ、Ｗ．Ｔｉｔｔｅｌ、およびＨ．Ｚｂｉｎｄｅｎによる「Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ」、Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ、２００２、ｖｏｌ．７４、１４５〜１９５頁のレビュー記事中において見出すことができる。
米国仮特許出願第６０／６８１，７２６号、「Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ」 米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号、「Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｉｎｇ ｉｎ ａ Ｍｕｌｔｉ−Ｃｈａｎｎｅｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」 Ｎ．Ｇｉｓｉｎ、Ｇ．Ｒｉｂｏｒｄｙ、Ｗ．Ｔｉｔｔｅｌ、およびＨ．Ｚｂｉｎｄｅｎ、「Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ」、Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ、２００２、ｖｏｌ．７４、１４５〜１９５頁 Ｔ．Ｈｉｒａｎｏ等、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ、ｖｏｌ．６８、４２３３１頁（２００３） Ｆ．Ｇｒｏｓｓｈａｎｓ、Ｐ．Ｇｒａｎｇｉｅｒ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００２、ｖｏｌ．８８、Ｎ．５、０５７９０２頁 Ｆ．Ｇｒｏｓｓｈａｎｓ、Ｐ．Ｇｒａｎｇｉｅｒ、ａｒＸｉｖ：ｑｕａｎｔ−ｐｈ／０２０４１２７ ｖ１、２００２年４月２２日 Ｍ．Ａ．Ｎｉｅｌｓｅｎ、Ｉ．Ｌ．Ｃｈｕａｎｇ、「Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ （２０００）、５８２〜６０３頁 Ｄ．Ｊ．Ｊｏｎｅｓ等、Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｖｏｌ．２８８、６３５頁（２０００） Ｒ．Ｈｏｌｚｗａｒｔｈ等、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．、ｖｏｌ．３７、１４９３頁（２００１） 米国特許第６８７６４８４号

何らかの進展が、量子チャネルについての装置の開発に際して行われてきてはいるが、この装置は、例えば量子キー配布（ｑｕａｎｔｕｍ−ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）（ＱＫＤ）レートおよび伝送距離において性能目標には依然として達していない。例えば、現在の商用で入手可能なＱＫＤシステムは、約２５ｋｍの長さを有する単一モード光ファイバ（ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ）上で約１．５ｋｂ／ｓのＱＫＤレートを提供する。比較では、代表的な古典的な通信システムは、約１０００ｋｍの長さを有する光ファイバ上で約１０Ｇｂ／ｓのデータ伝送レートを提供する。ＱＫＤシステムおよび古典的なシステムについてのこれらのパラメータを考えると、ＱＫＤレートおよび／または伝送距離におけるかなりの改善が望ましいことが分かる。

先行技術における問題は、本発明の原理に従って、量子キー配布（ＱＫＤ）のために波長（周波数）分割多重化（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ （ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ） ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を使用するように構成される通信システムによって対処される。一実施形態においては、本発明の通信システムは、伝送リンクを経由して送信機を受信機に接続している。送信機は、（ｉ）第１の複数の一様に間隔をおいて配置された周波数成分を生成するように構成される光周波数コム源（ｏｐｔｉｃａｌ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ ｓｏｕｒｃｅ）（ＯＦＣＳ）と、（ｉｉ）それらの第１の複数の周波数成分の各成分を独立に変調して、伝送リンクに印加される量子情報（ｑｕａｎｔｕｍ−ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）（ＱＩ）信号を生成するように構成される第１のマルチチャネル光変調器（ｍｕｌｔｉ−ｃｈａｎｎｅｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）とを有する。受信機は、（ｉ）第２の複数の一様に間隔をおいて配置された周波数成分を生成するように構成される第２のＯＦＣＳと、（ｉｉ）それらの第２の複数の周波数成分の各成分を独立に変調して、局部発振器（ｌｏｃａｌ−ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）（ＬＯ）信号を生成するように構成される第２のマルチチャネル光変調器とを有する。第１および第２の光周波数コム源のそれぞれは、これらのコム源によって生成される周波数成分が実質的に同じ周波数を有するように、独立に周波数標準（例えばＣｓ原子時計（Ｃｓ ａｔｏｍｉｃ ｃｌｏｃｋ））に対して基準が合わされる。受信機は、ＬＯ信号をＱＩ信号と結合することにより生成される干渉信号を処理して、ＱＩ信号によって搬送される量子情報を確認するように構成されるマルチチャネル・ホモダイン検出器（ｍｕｌｔｉ−ｃｈａｎｎｅｌ ｈｏｍｏｄｙｎｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を使用する。有利なことに、本発明の通信システムは、イーサネット（登録商標）・ビット・レート（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標） ｂｉｔ−ｒａｔｅ）に匹敵するアグリゲート（ａｇｇｒｅｇａｔｅ）（すべてのチャネル上で合計された）ＱＫＤレートを有するように構成することができる。

一実施形態によれば、本発明は、伝送リンクを経由して受信機に接続された送信機を備える、量子情報の伝送のための通信システムであり、送信機は、第１の光変調器に接続された第１の光源を備え、第１の光変調器は、第１の光源によって生成される光を変調して、伝送リンクに印加される量子情報（ＱＩ）信号を生成するように構成され、受信機は、第２の光変調器に接続された第２の光源を備え、第２の光変調器は、第２の光源によって生成される光を変調して、局部発振器（ＬＯ）信号を生成するように構成され、ＬＯ信号は、伝送リンクを経由して受信されるＱＩ信号と結合されて、ＱＩ信号によって搬送される量子情報を確認する。

別の実施形態によれば、本発明は、第１の光変調器に接続された第１の光源を備える、量子情報の伝送のための通信システム中における送信機であり、第１の光変調器は、第１の光源によって生成される光を変調して、量子情報（ＱＩ）信号を生成するように構成され、通信システムは、伝送リンクを経由して送信機に接続された受信機を備え、ＱＩ信号は、伝送リンクに印加され、受信機は、第２の光変調器に接続された第２の光源を備え、第２の光変調器は、第２の光源によって生成される光を変調して局部発振器（ＬＯ）信号を生成するように構成され、ＬＯ信号は、伝送リンクを経由して受信されるＱＩ信号と結合されて、ＱＩ信号によって搬送される量子情報を確認する。

さらに別の実施形態によれば、本発明は、第２の光変調器に接続された第２の光源を備える、量子情報の伝送のための通信システム中における受信機であり、第２の光変調器は、第２の光源によって生成される光を変調して、局部発振器（ＬＯ）信号を生成するように構成され、通信システムは、伝送リンクを経由して受信機に接続された送信機を備え、送信機は、第１の光変調器に接続された第１の光源を備え、第１の光変調器は、第１の光源によって生成される光を変調して、伝送リンクに印加される量子情報（ＱＩ）信号を生成するように構成され、ＬＯ信号は、受信機によって伝送リンクを経由して受信されるＱＩ信号と結合されて、ＱＩ信号によって搬送される量子情報を確認する。

さらに別の実施形態によれば、本発明は、第１の光源によって生成される光を変調して、通信システムの送信機において量子情報（ＱＩ）信号を生成すること、前記通信システムの受信機に対して伝送リンクを経由してＱＩ信号を方向づけること、第２の光源によって生成される光を変調して、受信機において局部発振器（ＬＯ）信号を生成すること、および受信機において伝送リンクを経由して受信されるＱＩ信号とＬＯ信号を結合して、ＱＩ信号によって搬送される量子情報を確認することを含む、量子情報を伝送する方法である。

本発明の他の態様、特徴および利点は、以降の詳細な説明、添付の特許請求の範囲、および添付図面から、より十分に明らかになるであろう。
本明細書中における「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「一実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」に対する言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構成、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態中に含まれ得ることを意味する。明細書中の様々な場所におけるフレーズ「一実施形態において（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態のことを言及しているとは限らず、また他の実施形態を相互に除外した別のまたは代替的な実施形態とも限らない。

図１は、先行技術の量子キー配布（ＱＫＤ）システム１００を概略的に示すものである。より詳細には、システム１００は、光ファイバ１９０を経由して接続された送信機１１０（Ａｌｉｃｅ）と受信機１５０（Ｂｏｂ）を有する。システム１００は、位相変調とホモダイン検出を使用して量子情報を伝送するように設計される。量子ビットごとに、送信機１１０は、レーザ・ダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）（ＬＤ）によって生成された出力信号を適切に分割することにより、２つの相互に関連がある光パルス（すなわち、比較的弱いパルスと比較的強いパルス）を生成する。弱い各パルスは、ＯＫＤのために適した量子レベルの強度（例えば、パルス当たりに数個のフォトン）を有し、位相変調器ＰＭ１による位相変調を受ける。弱い（量子）パルスのこの位相変調は、２つの目的、すなわち（１）対応する量子ビットについてのＡｌｉｃｅベースの組の選択と、（２）量子ビット値の符号化とを満たす。強い各パルスは、古典的なレベルの強度（例えば、パルス当たりに約１０^６個のフォトン）を有し、送信機１１０において位相変調されない。それらのパルスは、図１におけるファイバ１９０の入力カプラ１８８に図式的に示されるように弱い（量子）パルスが強い（古典的）パルスの後を追って互いに時間遅延され、ファイバへと結合される。

ファイバ１９０の出力カプラ１９２の位置に現れた後に、パルスは、受信機へと入り、ここでそれらのパルスの間の時間遅延は反転され、それらのパルスは、時間的に位置合わせされるようになる。強い（古典的な）パルスは、受信機１５０中において位相変調器ＰＭ２による位相変調を受け、位相変調は、対応する弱い（量子）パルスによって搬送される量子ビット値の測定のためのＢｏｂベースの組を選択する目的を満たす。弱い（量子）パルスは、受信機１５０において位相変調されないことに注意すべきである。それらのパルスは、ビーム・スプリッタ１６０において空間的に結合され、このビーム・スプリッタは、次いで結果として生じる光信号を２つの（干渉）副次信号へと分割し、それらの副次信号のそれぞれを光検出器１７０ａ〜ｂのうちの対応する一方に対して方向づける。光検出器１７０ａ〜ｂのそれぞれは、受信された副次信号の強度を測定し、結果として生じる電気出力を差動増幅器１８０に印加する。増幅器１８０は、２つの出力の差を取り、それを増幅し、さらなる処理のために増幅された信号を信号処理プロセッサ（ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）（図示されず）に対して方向づける。

受信機１５０におけるビーム・スプリッタ１６０、光検出器１７０ａ〜ｂ、および増幅器１８０は一緒に、ホモダイン検出スキームを実施する。このスキームは、弱い（量子）パルス（量子情報信号）についての直交測定を実現し、この測定からそのパルス上で符号化された量子ビット値を確認することができる。この測定においては、強い（古典的）パルスは、局部発振器（ＬＯ）としての役割を果たすことに注意すべきである。システム１００中において使用される追加のハードウェア要素（例えば、ポラライザ（ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）（ＰＯＬ）、偏光ビーム・スプリッタ（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）（ＰＢＳ）、減衰器（ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）（ＡＴＴ）、部分ミラー（ｐａｒｔｉａｌ ｍｉｒｒｏｒ）（ＨＭ）、ならびに１／２ウェーブ・プレートおよび１／４ウェーブ・プレート）とそれらのそれぞれの機能の説明は、その教示が、参照により本明細書に組み込まれているＴ．Ｈｉｒａｎｏ等、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ、ｖｏｌ．６８、４２３３１頁（２００３）の論文中に見出すことができる。

図２Ａ〜Ｂは、それぞれシステム１００についての代表的な位相変調フォーマットと対応するホモダイン検出統計データを図式的に示すものである。図２Ａを参照すると、送信機１１０（Ａｌｉｃｅ）は、０度および９０度の位相シフトが２進数「１」に関連づけられ、１８０度および２７０度の位相シフトが２進数「０」に関連づけられて、位相変調器ＰＭ１（図１）を使用してコヒーレント状態｜α＞についての位相シフトを０度、９０度、１８０度、および２７０度からランダムに選択することにより、弱い（量子）パルス上へと量子ビット値を符号化する。受信機１５０（Ｂｏｂ）は、０度および９０度から位相変調器ＰＭ２（図１）についての位相シフトをランダムに選択し、強い（古典的）パルスに対してこれらの位相シフトを適用する。結果として、（量子および古典的）パルスの対ごとに、システム１００は、相対的位相シフトφ＝φ_Ａ−φ_Ｂを生成し、ここでφ_Ａおよびφ_Ｂは、それぞれＡｌｉｃｅの位相シフトおよびＢｏｂの位相シフトである。
（用語「古典的」が、両方のパルスが古典的なレベルの強度を有することを意味する）ノイズのない古典的なパルス化ホモダイン検出においては、システム１００の増幅器１８０に類似した増幅器が、２Ｅ_ＳＥ_ＬＯｃｏｓφに比例する決定論的出力を生成し、ここでＥ_ＳおよびＥ_ＬＯは、それぞれ情報信号および局部発振器の電界である。したがって、φ＝０度および１８０度では、増幅器は、それぞれ１および−１の正規化された値を有する出力を生成する。同様に、φ＝９０度または２７０度では、増幅器は、ゼロの正規化された値を有する出力を生成する。

システム１００において、情報信号が弱い（量子）パルスによって表される（が、強い（古典的）パルスは、局部発振器信号としての役割を果たす）ことに起因して、増幅器１８０の出力は、ノイズのない場合でさえ決定論的にはならず、もっと正確に言えば、適切な確率分布関数によって記述することができる量子揺らぎ（ｑｕａｎｔｕｍ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）によって影響を受ける。図２Ｂは、弱い（量子）パルスについてのフォトンの平均数が、パルス当たりに１個のフォトンであるときの増幅器１８０の出力を記述する代表的な確率分布関数を図式的に示すものである。より詳細には、図２Ｂにおいて、水平軸Ｘは、増幅器１８０の正規化された出力を表すが、垂直軸Ｐは、その出力の確率を表す。曲線２１０は、φ＝０°に対応する確率分布関数であり、曲線２２０は、φ＝９０°および２７０°に対応する確率分布関数であり、曲線２３０は、φ＝１８０°に対応する確率分布関数である。各確率分布関数は、ガウス形状を有し、対応する古典的正規化値に中心が置かれる。

曲線２２０は、φ＝９０°と２７０°の両方についての確率分布関数を記述することに注意すべきである。これらの相対的な位相シフトでは、Ｂｏｂが正しくないベースの組、すなわちＡｌｉｃｅによって選択される組と異なる組を選択しているので、Ｂｏｂは、量子情報信号上でＡｌｉｃｅによって符号化される量子ビット値を確認することができない。しかし、曲線２１０と２３０は異なるので、Ｂｏｂは、φ＝０°をφ＝１８０°から区別することができる。その場合には、ＡｌｉｃｅもＢｏｂも同じベースの組を選択している。

Ｂｏｂによって実施される代表的な信号処理は、２つのしきい値Ｘ_＋およびＸ₋をセットアップすることを含むことができ、ここでＸ₋≦Ｘ_＋である。増幅器１８０の正規化された出力Ｘ_ｎが、Ｘ_＋よりも大きい場合、次いでＢｏｂは、φ＝０°であると判断する。Ｘ_ｎが、Ｘ₋よりも小さい場合には、次いでＢｏｂは、φ＝１８０°であると判断する。Ｘ_ｎがＸ_＋とＸ₋との間にある場合には、次いでＢｏｂは、結論に到達しない結果を取得し、その判断を捨てる。曲線２１０と２３０は、オーバーラップの区域を有するので、Ｂｏｂの判断は必ずしも真であるとは限らず、固有のエラーの確率が存在することに注意すべきである。この固有のエラー確率は、（ｉ）Ｂｏｂがφ＝０°であることを判断するときに真のφ値が１８０°であり、（ｉｉ）Ｂｏｂがφ＝１８０°であることを判断するときに真のφ値が０°であることを示す。

適切な数のパルスがＡｌｉｃｅからＢｏｂに伝送された後に、Ｂｏｂは、確立された認証されたパブリック・チャネルを経由して従来の電話またはコンピュータ・ネットワーク上で彼のベースの組の選択についてＡｌｉｃｅに知らせ、またＡｌｉｃｅは、どの選択が、量子ビット値を確認するための正しいベースの組を提供したかをＢｏｂに知らせる。Ｂｏｂは、次いで正しくないベースの組に対応する測定結果を捨て、図２Ａの変調フォーマットに従って残りの測定結果を解釈する。最終的に、ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、解釈されたデータを用いてエラー訂正とプライバシー拡大プロシージャ（ｐｒｉｖａｃｙ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）を実行して、セキュリティ保護された量子キーを引き出す。代表的なエラー訂正とプライバシー拡大プロシージャについての追加の情報は、例えばそのすべての教示が参照により本明細書に組み込まれている（１）Ｆ．ＧｒｏｓｓｈａｎｓおよびＰ．Ｇｒａｎｇｉｅｒ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００２、ｖｏｌ．８８、Ｎ．５、０５７９０２頁と、（２）Ｆ．ＧｒｏｓｓｈａｎｓおよびＰ．Ｇｒａｎｇｉｅｒ、ａｒＸｉｖ：ｑｕａｎｔ−ｐｈ／０２０４１２７ ｖ１、２００２年４月２２日と、（３）Ｍ．Ａ．ＮｉｅｌｓｅｎおよびＩ．Ｌ．Ｃｈｕａｎｇ、「Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ （２０００）、５８２〜６０３頁中に見出すことができる。

図１に戻って参照すると、システム１００の１つの重要な特徴は、局部発振器信号（古典的パルス）が、情報信号（量子パルス）と一緒にファイバ１９０に沿って送信機１１０から受信機１５０へと移送されることである。古典的通信においては、送信機から受信機へとＬＯ信号を移送することに対する知られている代替案は、その光源によって生成される光信号の周波数および位相を情報信号のそれらにロックするように構成されるフェーズ・ロック・ループ（ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋ ｌｏｏｐ）（ＰＬＬ）と一緒に受信機にチューニング可能な光源を供給することである。ＰＬＬは、一般的に（ｉ）通信（情報）信号とチューニング可能な光源によって生成される信号との間のビート周波数と位相オフセットを同時に測定し、（ｉｉ）チューニング可能な光源に対して適切なフィードバックを供給することにより機能し、これは、その光源が、これらのパラメータを指定された範囲内に保持するように強制する。しかし、一般に量子通信に適用可能な量子限界内において、そして特にシステム１００においては、周波数と位相の同時測定は、２つの交換できない直交値（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）（変数）の測定を必要とし、これは、量子力学の基本的な原理によって禁止されている。一例として、ビート周波数測定は、エネルギー差（ΔＥ）の測定に類似しており、位相オフセット測定は、時間間隔（Δｔ）の測定に類似しており、これらの測定値は、ハイゼンベルグの不確定性関係

によって支配され、式中で

は、プランク定数（Ｐｌａｎｃｋ ｃｏｎｓｔａｎｔ）である。システム１００に対するこの基本的な不確定性関係の１つの実際的な影響は、量子限界において、適切な精度を有する、ＬＯ周波数と位相の同時ロッキングは、受信機１５０においては可能でないことである。この基本的な制限によって、システム１００は、従来のＰＬＬによって駆動される独立な（第２の）光源を有する受信機を用いて実施することはできない。すでに上記されているように、システム１００は、その代わりに移相されるＬＯ信号が、同じ光源（図１中のＬＤ）を起源としているおかげで量子情報信号に位相ロックおよび周波数ロックされて、送信機１１０から受信機１５０へとＬＯ信号を移送するように構成される。

さらに、局部発振器信号が、送信機１１０から受信機１５０へと移送されることは、システム１００を実質的にマルチチャネルＱＫＤ伝送と互換性がないようにしてしまう。例えば、システム１００は、２つの異なる波長（周波数）で動作する２つのＱＫＤチャネルをサポートするものと仮定する。その場合には、ファイバ１９０は、これらのチャネルのそれぞれに対応する強い（古典的）ＬＯパルスを移送する必要がある。ファイバ１９０において例えば異なるＱＫＤチャネルに対応するＬＯパルスの間の非線形光学的干渉を回避するために、これらのパルスは、入力カプラ１８８において一時的に分離されていなければならない。しかし、ファイバ１９０中の光の速度が波長に依存することに起因して、異なるチャネルに対応するパルスは、異なる速度でファイバに沿って伝搬する。結果として、たとえパルスが最初には一時的に分離されていたとしても、ファイバ１９０の比較的長い長さ（例えば、数キロメートル以上）に起因して、移動するパルスは、高速になればなるほど、最終的には、最初はそのパルスがファイバ中において後を追いかけていたより低速な移動するパルスに追いつくことができるようになる。次いでオーバーラップされたそれらのパルスは、それらが、例えば４波混合および位相間変調を経由してファイバ１９０に沿って伝搬するときに非線形に相互作用し、その相互作用は、有害なチャネル間クロストークを引き起こす。不利なことには、このクロストークは、システムのＱＫＤ能力を完全に破壊するとは限らない場合にも、システム１００についてのエラー・レートをかなり増大させる可能性がある。

図３は、本発明の一実施形態によるＱＫＤシステム３００を概略的に示すものである。より詳細には、システム３００は、光ファイバ３９０を経由して接続された送信機３１０（Ａｌｉｃｅ）と受信機３５０（Ｂｏｂ）を有する。一実施形態においては、システム３００は、図１のシステム１００中において使用されるそれらと類似した位相変調およびホモダイン検出を使用して量子情報を伝送するように構成される。しかし、システム１００と３００との間の１つの違いは、前者は、同じ光源（送信機１１０におけるＬＤ）を使用して、量子情報もＬＯ信号も生成するが、後者は、２つの別個の光源、すなわち送信機３１０と受信機３５０にそれぞれ配置された光周波数コム源３２０ａ〜ｂを使用するように設計されることである。より詳細には、光周波数コム源（ＯＦＣＳ）３２０ａは、送信機３１０において使用されて、１つまたは複数の量子情報信号を生成し、これらの量子情報信号は、次いで周波数多重化され、ファイバ３９０へと結合して入力される。ＯＦＣＳ３２０ｂは、受信機３５０において使用されて、１つまたは複数の局部発振器信号を生成し、次いでこれらの局部発振器信号を使用して、ファイバ３９０を経由して送信機３１０から受信機によって受信される対応する量子情報信号のホモダイン検出を実施する。結果として、システム１００とは違って、システム３００は、局部発振器信号をＡｌｉｃｅからＢｏｂへと移送しない。

光周波数コム源３２０ａ〜ｂのそれぞれは、ＯＦＣＳ３２０ｂのＯＦＣＳ３２０ａに対する従来の周波数ロッキングがもはや必要とされないような精度で、光周波数を生成することができるので、システム３００は、システム１００の（以上で説明された）基本的な制限を回避することができる。例えば、一実施形態においては、ＯＦＣＳ３２０は、周波数コームを実現し、この周波数コームの中では、各周波数モードは、（ｉ）約１０ｋＨｚ以下の幅と、（ｉｉ）指定された周波数から約１００Ｈｚ以下の内部に配置された中心周波数を有する。有利なことに、ＯＦＣＳ３２０のこれらの特性により、システム３００は、送信機３１０から受信機へと１つ（または複数）のＬＯ信号を移送することなく、受信機３５０において１つ（または複数）の量子情報信号のホモダイン検出を実行することができるようになる。さらに、局部発振器が、送信機３１０から受信機３５０へと移送されないことは、システム３００がマルチチャネルＱＫＤ伝送の影響を受けやすくする。より詳細には、受信機３５０中においてＯＦＣＳ３２０ｂを起源とする比較的強いＬＯ信号が同じ光ファイバ中で移送される比較的短い距離（例えば、約１ｍよりも短い）に起因して、そのファイバ中のそれらの信号の間の非線形光相互作用は、そのシステムの単一チャネルＱＫＤコンフィギュレーション中における相互作用に比べてシステム３００についてのエラー・レートをあまり増大させはしない。

図４Ａ〜Ｂは、本発明の一実施形態によるＯＦＣＳ３２０の代表的な特性を図式的に示すものである。より詳細には、図４によって示される実施形態においては、ＯＦＣＳ３２０は、制御されたキャリア包絡線オフセット（ｃａｒｒｉｅｒ−ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｏｆｆｓｅｔ）（ＣＥＯ）位相を有するモード・ロックされたレーザである。

図４Ａは、ＣＥＯ位相制御を有するそのような代表的なモード・ロックされたレーザによって生成されるパルス・トレインを示すものである。より詳細には、トレイン中の３つの隣接するパルスが示され、実線は、電界キャリア波を表し、破線は、対応するパルス包絡線を表している。パルス（τ）間の包絡線のピーク・ツー・ピークの離隔距離は、１／ｆ_ｒｅｐであり、ここでｆ_ｒｅｐは、パルス反復レートである。図４Ａ中において見ることができるように、パルス包絡線のピークと基礎になる電界キャリア波との間の相対的な位相は、一定ではなく、パルスごとに変化する。例えば、パルス４０１では、パルス包絡線のピークは、電界キャリア波のピークと位置が合わせられており、すなわち相対的な位相はゼロである。しかし、パルス４０２では、パルス包絡線のピークと、電界キャリアの最も近いピークとの間の相対的位相は、Δψになるように変更されており、そしてパルス４０３では、この相対的な位相は、さらにΔψだけ増分されて、２Δψになるようにされている。このパルス・ツー・パルスの位相の漸進的な変化は、グループ速度と位相速度がモード・ロックされたレーザ・キャビティ内部で異なることに起因している。しかし、有利なことに、現代のフェムト秒レーザ（ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ−ｌａｓｅｒ）技法により、ＣＥＯ位相増分（Δψ）の効果的な制御と安定化は、予測可能な再生成可能な位相の漸進的な変化を引き起こすことができるようになる。

図４Ｂは、図４Ａのパルス・トレインに対応する周波数スペクトルを示すものである。より詳細には、垂直の実線は、図４Ａのパルス・トレインに対応する周波数コームのモードを表し、釣り鐘形状の曲線は、周波数コーム包絡線を示している。周波数ドメインにおいては、ＣＥＯ位相制御されるモード・ロックされたレーザの出力は、それぞれが対応する周波数モードの周波数コームを生成する相互に関連づけられる連続波（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ）（ＣＷ）レーザの集まりの結合された出力に実質的に等しいことに注意すべきである。図４Ｂ中における垂直の点線は、周波数グリッドｎｆ_ｒｅｐを示し、ここでｎは、正の整数である。図４Ｂ中において見られるように、ＣＥＯ位相制御されるモード・ロックされたレーザによって生成される周波数コームは、必ずしもこの周波数グリッドと位置合わせされているとは限らず、一般にオフセット周波数δ＝Δψｆ_ｒｅｐ／２πだけグリッドに関してシフトされており、周波数コーム中における個々の周波数（ｆ_ｎ）は、式（１）によって以降のように記述される。
ｆ_ｎ＝ｎｆ_ｒｅｐ＋δ （１）
式（１）によって与えられる関係の１つの結論は、位相増分（Δψ）の制御が、周波数コーム中における光周波数の絶対値を制御するための効果的な手段を実現することである。ＣＥＯ位相制御されるモード・ロックされたレーザの特性についての追加の詳細は、例えばその教示が参照により本明細書に組み込まれているＤ．Ｊ．Ｊｏｎｅｓ等、Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｖｏｌ．２８８、６３５頁（２０００）中に見出すことができる。
本発明の他の実施形態は、ＣＥＯ位相制御されるモード・ロックされたレーザ以外のＯＦＣＳソースを使用することができるが、それにもかかわらず後者は、（ｉ）自己参照すること、すなわち特定の物理的光遷移にロックすることなく光コーム周波数を割り当てる能力と、（ｉｉ）オクターブ広がるスペクトルに起因したＱＫＤのために使用可能な比較的広い帯域幅の利点を提供することができる。例えば、基準原子遷移にロックされたその周波数コーム中の１成分を有するモード・ロックされたレーザは、許容可能なＯＦＣＳである。同様に、その出力が、比較的高い（例えば、無線）周波数で駆動された光変調器によって正弦波で変調された、基準原子遷移にロックされる単色光レーザも、別の許容可能なＯＦＣＳである。

図５は、本発明の一実施形態によるオフセット周波数（δ）を測定する方法を図式的に示すものである。図５の方法は、一般にオクターブ広がる周波数コームに適用可能であり、例えばこの方法を使用して、正確に基準を合わせ、対応するＣＥＯ位相制御されるモード・ロックされたレーザの出力を制御することができる。より詳細には、図５の方法によれば、オクターブ広がる周波数コーム５０２の低周波数側からのｍ番目のモード（ここでｍは、正の整数である）に対応する光は、第２高調波生成（ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ−ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ）（ＳＨＧ）要素５０４を使用して、周波数倍増される。結果として生じる第２高調波は、ｆ_ＳＨ＝２ｆ_ｍ＝２ｍｆ_ｒｅｐ＋２δの周波数を有する。次いで第２高調波は、モードがｆ_２ｍ＝２ｍｆ_ｒｅｐ＋δの周波数を有する周波数コーム５０２の高周波数側からの（２ｍ）番目のモードと干渉させられる。その干渉は、差周波数ｆ_ＳＨ−ｆ_２ｍ＝δを有する信号（ビート音（ｂｅａｔ ｎｏｔｅ））を引き起こす。このようにして、ＣＥＯ位相制御されるモード・ロックされたレーザについてのオフセット周波数は、ビート音の周波数を測定することによって監視することができる。δの値は、周波数コームが、周波数グリッドに関して適切に位置づけられるように、レーザを構成してレーザ・キャビティ中のグループ速度と位相速度を設定することにより、調整することができる。一実施形態においては、図５の方法を使用して、異なる光周波数コム源によって生成される２つ以上の周波数コーム５０２を原子時計に対して基準を合わせて、例えばシステム３００中における光周波数コム源３２０ａ〜ｂについて約１００Ｈｚまたはそれより良好な周波数位置合わせ精度を確立することができる。ＣＥＯ位相制御されるモード・ロックされたレーザの原子時計による基準合わせについてのより詳細は、例えばその教示が参照により本明細書に組み込まれているＲ．Ｈｏｌｚｗａｒｔｈ等、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．、ｖｏｌ．３７、１４９３頁（２００１）中において見出すことができる。

図３に戻って参照すると、一実施形態において、光周波数コム源３２０ａ〜ｂのそれぞれは、例えば上記されるように選択された原子時計周波数に基準を合わせられたＣＥＯ位相制御されるモード・ロックされたレーザ（図示されず）を備える。送信機３１０は、ＯＦＣＳ３２０ａによって生成される周波数コームからの１組の周波数に対応する複数のチャネルを有するように構成されるマルチチャネル位相変調器３３０を含んでいる。変調器３３０は、（Ｉ）光サーキュレータ３３２を経由してＯＦＣＳ３２０ａの出力を受け取るように構成される可変マルチプレクサ／デマルチプレクサ（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ／ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）（ＭＵＸ／ＤＭＵＸ）３３４と、（ＩＩ）そのＭＵＸ／ＤＭＵＸに光学的に接続された位相シフタ３３６を有する。ＭＵＸ／ＤＭＵＸ３３４の１つの機能は、ＯＦＣＳ３２０ａによって生成されるコーム周波数を別個のビームへと逆多重化し、これらのビームを位相シフタ３３６へと方向づけることである。ＭＵＸ／ＤＭＵＸ３３４の別の機能は、位相シフタ３３６から位相シフトされたビームを逆に受け取り、それらを再多重化し、その結果として生じる信号を光サーキュレータ３３２に対して印加することである。

一実施形態においては、位相シフタ３３６は、例えばその全体が参照により本明細書に組み込まれている米国特許第６８７６４８４号に開示されるＭＥＭＳアレイと類似した移動可能なミラーのＭＥＭＳアレイを含んでいる。より詳細には、アレイ中の各ミラーは、コントローラ３３８によって供給される制御信号に基づいて独立に変換されて、ＭＵＸ／ＤＭＵＸ３３４からのミラーによって受け取られる対応するビームについての望ましい、基準位置に関するミラー変位に比例した位相シフトを導入することができる。代表的なコンフィギュレーションにおいては、位相シフタ３３６は、ビームごとに図２Ａの変調フォーマットに対応する光学的位相シフトを導入するように構成される。より詳細には、コントローラ３３８からの制御信号に基づいて、位相シフタ３３６は、結果として生じる位相シフトが、実質的に０度、９０度、１８０度、および２７０度のうちの１つになるように、ミラー・アレイ中における各ミラーを位置づける。時間スロットごとに、位相シフトは、これらの値からビームごとにランダムに選択されて、対応するビット値を符号化し、０度および９０度の位相シフトが２進数「１」に関連づけられ、１８０度および２７０度の位相シフトが２進数「０」に関連づけられて、その時間スロット存続時間にわたって一定に保たれる。選択される位相シフトは、対応する量子ビットについてのＡｌｉｃｅベースの組の選択を決定する。

光サーキュレータ３３２から位相シフタ３３６のミラー・アレイへの、そしてその逆のラウンド・トリップにおいては、コーム周波数に対応する光信号は、ＭＵＸ／ＤＭＵＸ３３４を２回通過することに注意すべきである。ＭＵＸ／ＤＭＵＸ３３４は、可変のＭＵＸ／ＤＭＵＸであるので、それは、対応するチャネル中の各光信号を他のチャネル中に導入される減衰とは独立な望ましい量だけ減衰させるように構成することができる。したがって、ＭＵＸ／ＤＭＵＸ３３４は、光信号を等化すること（例えば、ＯＦＣＳ３２０ａによって生成される初期の釣り鐘形状の周波数コーム包絡線を実質的に平坦な形状へと変換すること）、および各チャネル中の光強度をＱＫＤ伝送のために適した量子レベルまで減衰させることについての追加の機能を実現することができる。その場合には、光サーキュレータ３３２は、ＭＵＸ／ＤＭＵＸ３３４からパルス・カーバ（ｐｕｌｓｅ ｃａｒｖｅｒ）３４０へと受け取られた位相シフトされ／減衰させられた信号を方向づけ、このパルス・カーバは、これらの信号をパルス・トレインの形に成形し、その結果をファイバ３９０中へと結合させる。パルス・カーバ３４０と位相シフタ３３６は、例えばその刻まれたパルス位置が、対応する時間スロットの中間点に対応するように適切に同期させられる。代表的なコンフィギュレーションにおいては、時間スロット存続期間は約１００ｎｓであり、各刻まれたパルスは、約１０ｐｓの幅を有する。

パルス・カーバ３４０によって生成されるパルス・トレインは、位相変調器３３０のチャネルに対応する複数の成分を有する周波数（波長）多重化された量子情報信号である。ＭＵＸ／ＤＭＵＸ３３４中において導入される減衰は、成分ごとのパルス当たりのフォトン数が、システム３００中において使用されるＱＫＤプロトコルのために適切となるように選択される。例えば、（当技術分野においてよく知られている）ＢＢ８４プロトコルおよびＢ９２プロトコルでは、フォトン数は、成分ごとにパルス当たり約１個のフォトンとなる。代わりに、連続的に可変なプロトコルでは、フォトン数は、成分ごとにパルス当たり約数百個のフォトンにもなる。

受信機３５０は、送信機３１０のマルチチャネル位相変調器３３０に実質的に類似したマルチチャネル位相変調器３６０を含んでいる。より詳細には、位相変調器３６０は、光サーキュレータ３６２、ＭＵＸ／ＤＭＵＸ３６４、位相シフタ３６６、コントローラ３６８、およびパルス・カーバ３７０を有し、これらは、それぞれ位相変調器３３０の光サーキュレータ３３２、ＭＵＸ／ＤＭＵＸ３３４、位相シフタ３３６、コントローラ３３８、およびパルス・カーバ３４０に類似している。しかし、位相変調器３３０と３６０との間の１つの違いは、後者はさらに、マルチチャネル偏光コントローラ（ｍｕｌｔｉ−ｃｈａｎｎｅｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）３７２を有することである。位相変調器３６０中に偏光コントローラ３７２を有する１つの理由は、送信機３１０によって生成される量子情報信号の偏光は、信号がファイバ３９０中を伝搬するときに変化する可能性があることである。偏光コントローラ３７２は、ＯＦＣＳ３２０ｂを起源とする各ＬＯ成分の偏光を受信される量子情報信号の対応する成分の偏光に合わせる役割を果たす。

１つの構成においては、偏光コントローラ３７２についての適切な偏光設定を決定するために、送信機３１０は、チャネルごとに量子ビットの知られているシーケンスを有するトレーニング信号（ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ）を送信する。その場合には、受信機３５０は、このトレーニング信号を使用して、チャネルごとの偏光設定を調整して、そのＬＯ成分の偏光を対応する量子情報成分に適切に合わせる。例えば、受信機３５０は、各パルスの直交変数を測定するが、ＬＯ信号の位相は、パルスごとに９０度だけシフトされる。量子ビットの知られているシーケンスが、実質的に同じパルスを有する場合、連続したパルスの測定される直交変数の２乗の和、

は、その偏光がＬＯフィールドの偏光と平行な量子信号の振幅に比例する。偏光コントローラ３７２の各周波数成分は、ＬＯフィールドの各周波数成分の偏光を回転させて、対応する周波数の量子信号の偏光に合わせられるように制御することができる。ひとたび、適切な偏光設定が決定されると、偏光コントローラ３７２は、ＱＫＤセッションの存続期間にわたってこれらの設定を固定するように構成される。このプロシージャは、必要に応じた頻度で反復されて、良好な適切な偏光合わせを保証することができる。

ＯＦＣＳ３２０ｂと位相変調器３６０によって生成される各ＬＯ成分は、古典的なレベルの強度（例えば、パルス・カーバ３７０によって刻まれるパルス当たり１０^６個のフォトン）を有する。ＯＦＣＳ３２０ｂによって生成される光パワーに応じて、（位相変調器３３０中の減衰と反対に）ある種のコーム周波数、またはすべてのコーム周波数の増幅が位相変調器３６０中において必要とされることもある。したがって、位相変調器３６０は、１つまたは複数の光増幅器（図示されず）を組み込み、できる限り少ない減衰しか導入しないようにＭＵＸ／ＤＭＵＸ３６４を構成することができる。

送信機３１０が、図２Ａに示される変調フォーマットを使用するときには、位相変調器３６０中における位相シフタ３６６は、結果として生じる位相シフトが実質的に０度と９０度のうちの一方となるように各ミラーをそのミラー・アレイ中に位置づけるように構成される。時間スロットごとに、位相シフトは、その時間スロット中における量子情報信号の対応する成分によって搬送されるビット値を確認するためのＢｏｂベースの組の選択をもたらすために、これらの２つの値からチャネルごとにランダムに選択される。結果として、位相変調器３６０は、送信機３１０から受信される量子情報信号の成分ごとにシステム１００中において実施されるスキームと実質的に同様なホモダイン検出スキームを受信機３５０において実施するために適切なマルチ成分ＬＯ信号を出力する。

すでに以上で説明されたように、光周波数コム源３２０ａ〜ｂ中における高精度の光周波数生成は、システム３００が量子情報信号に対するＬＯ信号の周波数ロッキングを実行することを不必要にする。しかし、これらの信号の間の位相ロッキングは、位相変調器３６０が、ＬＯ信号の成分について０度および９０度の望ましい位相シフトを高精度に実現することを可能にするために依然として必要とされる。ＬＯ信号を量子情報信号に対して位相ロックするタスクは、グローバル位相変調器３５４と位相シフタ３６６によって実行される。例えば、ＬＯ成分を量子情報信号の対応する成分に対して位相ロックするために、送信機３１０は、チャネルごとに量子ビットの知られているシーケンスを有するトレーニング信号を送信する。その場合には、受信機３５０は、このトレーニング信号を使用して、信号成分ごとに、ＬＯ信号と量子情報信号との間の相対的位相差が、例えば９０度になるように位相シフタ３６６中におけるミラー位置を調整する。

システム３００が、トレーニング・シーケンス伝送からＱＫＤ伝送へとスイッチングするときに、受信機３５０は、どの適切なミラー変位が、量子ビット値を確認するために必要とされる位相シフトをもたらすために生成されるかに関しての基準位置としてトレーニング・シーケンス中に決定されるミラー位置を使用する。グローバル位相変調器３５４は、初期位相ロックが位相シフタ３６６を用いて達成された後に位相ロックを保持する助けを行うことができるオプションの要素である。より詳細には、異なるコーム周波数はすべて、互いに相互に関連するので、長い間に生じ得るチャネル間の追加の位相変動はまた、一般的に相互に関連づけられ、決定論的である。したがって、これらの追加の位相変動は、すべての周波数（チャネル）について共通の追加の（グローバルな）位相シフトを導入するようにグローバル位相変調器３５４を構成することによって補償することができる。

送信機３１０からファイバ３９０を経由して受信される量子情報信号と、ＯＦＣＳ３２０ｂおよび位相変調器３６０によって生成されるＬＯ信号は、３−ｄＢカプラ３５２に印加され、このカプラは、これらの信号を結合し、次いでその結果を２つの干渉副次信号へと分割する。次いで各干渉副次信号は、デマルチプレクサ３７４ａ〜ｂのうちの対応する一方に方向づけられ、このデマルチプレクサは、その干渉副次信号を個々のスペクトル成分へと逆多重化する。次いで、同じ周波数を有する副次信号成分の各対を使用して、システム１００（図１）の受信機１５０において実施される検出と実質的に同様なホモダイン検出を実施する。より詳細には、受信機３５０は、電荷感受性増幅器のアレイ３８０に接続された光検出器の２つのアレイ３７６ａ〜ｂを有する。アレイ３７６ａ〜ｂ中における同じ周波数を受信する光検出器は、反対の極性を有する光検出器端子を経由してアレイ３８０中における対応する増幅器に接続される。結果として、その増幅器は、光検出器についての信号差を増幅するように構成された差動増幅器としての役割を効果的に果たす。増幅された差信号は、さらに処理するために信号処理プロセッサ３８２に対して印加される。

１つの構成においては、プロセッサ３８２は、例えば図２を参照して上記されたしきい値決定方法（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）に従ってその信号を解釈することにより、各周波数に対応する差信号を処理する。合意された数の量子情報伝送時間スロットの後に、Ｂｏｂは、認証されたパブリック・チャネルを経由して周波数ごとにそのベースの組のＢｏｂの選択についてＡｌｉｃｅに知らせ、そしてＡｌｉｃｅは、量子ビット値を確認するためにどの選択が正しいベースの組を提供したかをＢｏｂに知らせる。次いでＢｏｂは、正しくないベースの組に対応する測定結果を捨て、図２Ａの変調フォーマットに従って残りの測定結果を解釈する。最後に、ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、エラー訂正とプライバシー拡大プロシージャを実行して、その解釈されたデータからセキュリティ保護された量子キーを引き出す。

一実施形態においては、システム３００は、以降の特性、すなわち（ｉ）約１０ＧＨｚのチャネル（周波数）間隔と、（ｉｉ）約２０ｎｍのスペクトル帯域幅に対応する全部で２５６個のチャネルと、（ｉｉｉ）約１００ｎｓの時間スロット存続期間に対応する約１０ＭＨｚの変調速度と、（ｉｖ）約１ｐＷ／チャネルの量子情報信号の強度と、（ｖ）約１ｍＷ／チャネルのＬＯ信号の強度とを有するように設計される。これらのパラメータを用いて実施されるときに、システム３００は、２０Ｍｂ／ｓを超えるＱＫＤレートをサポートし、これは、先行技術のＱＫＤシステムによって実現されるものに対するかなりの改善である。システム３００が、１０ＧＨｚのチャネル間隔を有する完全なオクターブ広がる光の範囲（例えば１０００ｎｍから２０００ｎｍまで）を利用している別の実施形態においては、アグリゲートＱＫＤレートは、約１Ｇｂ／ｓに到達する可能性がある。有利なことに、このアグリゲートＱＫＤレートは、現代のイーサネット（登録商標）速度で動作する通信システムについての完全な暗号のサポートを実現することができる。

本発明は、例示の実施形態に関して説明されてきているが、この説明は、限定する意味で解釈されるべきことが意図されてはいない。例えば、可変なＭＵＸ／ＤＭＵＸ３３４を有する代わりに、位相変調器３３０は、通常のＭＵＸ／ＤＭＵＸと、そのＭＵＸ／ＤＭＵＸに接続された別個のマルチチャネル減衰器を用いて実施することができる。代わりに、または追加して、位相シフタ３３６は、例えばミラーを傾け、あるいはそれらの反射率および／または形状を変更することにより信号成分を減衰させるように構成することができる。さらに、多重化機能も逆多重化機能も実行するように構成された単一ＭＵＸ／ＤＭＵＸ（例えば、ＭＵＸ／ＤＭＵＸ３３４またはＭＵＸ／ＤＭＵＸ３６４）は、２つの別個の要素、すなわち多重化機能だけを実行するように構成されるＭＵＸと、逆多重化機能だけを実行するように構成されるＤＭＵＸとによって置き換えることもできる。様々な成分は導波管回路またはフリー・スペース光学的要素として実施することができる。代わりに、または追加して、同様な修正を位相変調器３６０に対して適用することができる。ＭＥＭＳベースの変調器以外の光変調器、例えば個々のニオブ酸リチウム変調器要素、ＩｎＰ導波管変調器要素、またはＩｎＰ表面ノーマル変調器要素のアレイを用いて実施される変調器を使用することができる。システム３００は、様々なＱＫＤプロトコル、例えば限定することなくＢＢ８４プロトコル、Ｂ９２プロトコル、または連続的に可変なプロトコルを使用して動作するように構成することができる。本発明は、位相変調に関して説明されているが、当業者は、振幅変調、または位相と振幅との同時変調を用いて本発明を実施することもできることを認識するであろう。光周波数コム源を用いてアクセス可能なＱＫＤ帯域幅リソースは、いくつかの異なる送信機受信機構成、例えば（ｉ）図３に示されるような１つの受信機に接続される１つの送信機と、（ｉｉ）送信機によって利用されるコーム周波数の異なる一部を使用するように構成される２つ以上の受信機に接続された１つの送信機と、（ｉｉｉ）単一の受信機に接続され、受信機によって利用されるコーム周波数の異なる一部を使用するように構成される、２つ以上の送信機と、（ｉｖ）これらの送信機および受信機の間にコーム周波数の適切な割付けを伴う、複数の受信機に接続された複数の送信機をサポートするように柔軟に動的に割り付けることができる。ＣＥＯ位相制御されるモード・ロックされたレーザとは異なるＯＦＣＳソースを使用することができる。さらに、本発明のある種の実施形態は、それぞれが、その周波数が周波数標準に適切に基準が合わせられた単一周波数（波長）を生成するように構成される光源を用いて実施することができる。様々な周波数標準（例えば原子時計のタイプ）は、本発明の範囲および原理を逸脱することなく使用することができる。本発明に関係する当業者に明らかである、説明される実施形態の様々な修正形態、ならびに本発明の他の実施形態は、添付の特許請求の範囲中において表される本発明の原理および範囲内に存在するものとみなされる。

本明細書の目的のためには、ＭＥＭＳデバイスは、互いに相対的に移動するように構成される２つ以上の部分を有するデバイスであり、ここでその動きは、機械相互作用、熱相互作用、電気相互作用、磁気相互作用、光学的相互作用、および／または化学相互作用など、適切な任意の相互作用または相互作用の組合せに基づいている。ＭＥＭＳデバイスは、それだけには限定されないが（１）例えば、自己集合する単分子層、望ましい化学物質に対する高い親和性を有する化学コーティング、および化学ダングリング・ボンドの生成および飽和を使用した自己集合技法と、（２）例えば、リソグラフィ、化学気相成長、材料のパターニングおよび選択エッチング、ならびに表面の処理、成形、めっき、およびテクスチャ化（ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ）を使用したウェーハ／材料処理技法を含むことができるマイクロ製造技法またはさらに微細な製造技法（ナノ製造技法を含む）を使用して製造される。ＭＥＭＳデバイス中のある種の要素のスケール／サイズは、量子効果の発現を許容するようなものであってもよい。ＭＥＭＳデバイスの例は、限定することなく、ＮＥＭＳ（ナノ電気機械システム（ｎａｎｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ））デバイス、ＭＯＥＭＳ（マイクロ光電気機械システム（ｍｉｃｒｏ−ｏｐｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ））デバイス、マイクロマシン（ｍｉｃｒｏ ｍａｃｈｉｎｅ）、マイクロシステム、およびマイクロシステム技術またはマイクロシステム集積化を使用して製造されるデバイスを含んでいる。

本発明は、ＭＥＭＳデバイスとしての実施の場合について説明されてきているが、本発明は、理論的には、マイクロ・スケールより大きなスケールを含めて任意のスケールで実施することができる。

方法の発明を記載した請求項中における工程（ステップ）は、もしある場合には、対応するラベリングを伴う特定のシーケンスの形で列挙されるが、請求項の列挙が、それ以外の方法でこれらの工程の一部またはすべてを実施するための特定のシーケンスであることを意味していない限り、それらの工程は、その特定のシーケンスの形で実施されるものだけに限定されるように必ずしも意図されるものとは限らない。

先行技術の量子キー配布（ＱＫＤ）システムを概略的に示す図である。 図１に示されるＱＫＤシステムについての代表的な位相変調フォーマットを図式的に示す図である。 図１に示されるＱＫＤシステムについての対応するホモダイン検出統計データを図式的に示す図である。 本発明の一実施形態によるＱＫＤシステムを概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による、図３のＱＫＤシステム中において使用することができる光周波数コム源（ＯＦＣＳ）の代表的な一特性を図式的に示す図である。 本発明の一実施形態による、図３のＱＫＤシステム中において使用することができる光周波数コム源（ＯＦＣＳ）の代表的な一特性を図式的に示す図である。 本発明の一実施形態による、図４に示されるＯＦＣＳについてのオフセット周波数を測定する方法を図式的に示す図である。

Claims (10)

1. 伝送リンクを経由して受信機に接続された送信機を備える、量子情報の伝送のための通信システムであって、
   前記送信機は、第１の光変調器に接続された第１の光源を備え、
   前記第１の光変調器は、前記第１の光源によって生成される光を変調して、前記伝送リンクに印加される量子情報（ＱＩ）信号を生成するように構成され、
   前記受信機は、第２の光変調器に接続された第２の光源を備え、
   前記第２の光変調器は、前記第２の光源によって生成される光を変調して、局部発振器（ＬＯ）信号を生成するように構成され、
   前記ＬＯ信号は、前記伝送リンクを経由して受信される前記ＱＩ信号と接続されて、前記ＱＩ信号によって搬送される量子情報を確認する通信システム。
2. 前記ＬＯ信号は、前記伝送リンクを経由して伝送されず、
   前記受信機は、前記ＬＯ信号を前記ＱＩ信号に対して位相ロックするように構成される、請求項１に記載の通信システム。
3. 前記の第１および第２の光源のそれぞれは、周波数標準に基準が合わされる、請求項１に記載の通信システム。
4. 前記第１の光源は、第１の複数の一様な間隔をおいて配置される周波数成分を生成するように構成される第１の光周波数コム源（ＯＦＣＳ）を備え、
   前記第１の光変調器は、前記第１の複数の周波数成分からの各周波数成分を独立に変調して、量子ビットを符号化し、前記送信機についてのベースの組の選択を提供するように構成され、
   前記ＱＩ信号は、前記第１の複数の周波数成分からの前記変調された周波数成分の少なくとも一部を備える、請求項１に記載の通信システム。
5. 前記第２の光源は、第２の複数の一様な間隔をおいて配置された周波数成分を生成するように構成される第２のＯＦＣＳを備え、
   前記第２の光変調器は、前記第２の複数の周波数成分からの各周波数成分を独立に変調して、前記受信機についてのベースの組の選択を提供するように構成され、
   前記ＬＯ信号は、前記第２の複数の周波数成分からの前記変調された周波数成分の少なくとも一部を備える、請求項４に記載の通信システム。
6. 前記第１の複数の周波数成分からの前記変調された周波数成分と、前記第２の複数の周波数成分からの前記変調された周波数成分は、周波数の共通の組を有し、
   前記システムは、前記ＬＯ信号を前記ＱＩ信号と接続することにより、第１および第２の干渉信号を生成するように構成される光カプラを備え、
   前記受信機は、前記干渉信号を処理するように構成されるマルチチャネル・ホモダイン検出器を備え、
   前記共通の組からの周波数ごとに、前記ホモダイン検出器は、前記の第１の干渉信号と第２の干渉信号との間の強度差を測定し、測定結果を信号処理プロセッサに対して印加するように構成され、
   前記信号処理プロセッサは、前記測定結果に基づいて量子キーを生成するように構成される、請求項５に記載の通信システム。
7. 前記共通の組からの周波数ごとに、前記信号処理プロセッサは、
   各時間スロットにおいて、前記時間スロットにわたって前記送信機と前記受信機によって選択されるベースの組の比較に基づいて対応する測定結果を受け入れ、または拒絶し、
   前記受け入れられた結果に基づいて前記量子キーをコンパイルする
   ように構成される、請求項６に記載の通信システム。
8. 前記の第１の光変調器と第２の光変調器のそれぞれは、
   前記対応するＯＦＣＳから受信される前記周波数成分を逆多重化するように構成されるマルチプレクサ／デマルチプレクサ（ＭＵＸ／ＤＭＵＸ）と、
   移動可能なミラーのＭＥＭＳアレイと
   を備え、前記アレイ中における各ミラーは、逆多重化された周波数成分を受信するように構成され、基準位置に関する前記ミラーの位置は、前記周波数成分についての位相シフトを決定し、
   前記ＭＵＸ／ＤＭＵＸはさらに、前記位相シフトされた周波数成分を多重化して、前記の対応するＱＩ信号またはＬＯ信号を生成するように構成される、請求項５に記載の通信システム。
9. 量子情報の伝送のための通信システム中における、第１の光変調器に接続された第１の光源を備える送信機であって、
   前記第１の光変調器は、前記第１の光源によって生成される光を変調して、量子情報（ＱＩ）信号を生成するように構成され、
   前記通信システムは、伝送リンクを経由して前記送信機に接続された受信機を備え、
   前記ＱＩ信号は、前記伝送リンクに印加され、
   前記受信機は、第２の光変調器に接続された第２の光源を備え、
   前記第２の光変調器は、前記第２の光源によって生成される光を変調して、局部発振器（ＬＯ）信号を生成するように構成され、
   前記ＬＯ信号は、前記伝送リンクを経由して受信される前記ＱＩ信号と接続されて、前記ＱＩ信号によって搬送される量子情報を確認する、送信機。
10. 量子情報の伝送のための通信システム中における、第２の光変調器に接続された第２の光源を備える受信機であって、
    前記第２の光変調器は、前記第２の光源によって生成される光を変調して、局部発振器（ＬＯ）信号を生成するように構成され、
    前記通信システムは、伝送リンクを経由して前記受信機に接続された送信機を備え、
    前記送信機は、第１の光変調器に接続された第１の光源を備え、
    前記第１の光変調器は、前記第１の光源によって生成される光を変調して、前記伝送リンクに印加される量子情報（ＱＩ）信号を生成するように構成され、
    前記ＬＯ信号は、前記受信機によって前記伝送リンクを経由して受信される前記ＱＩ信号と接続されて、前記ＱＩ信号によって搬送される量子情報を確認する、受信機。

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