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JP5660169B2 - 光送信器、光変調制御回路、および光変調制御方法 - Google Patents

光送信器、光変調制御回路、および光変調制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、光変調技術に関し、特に光信号の強度を変調する際の動作点制御技術に関する。
急激な成長を続けるインターネットは、便利である反面、その安全性に大きな不安を抱えているため、通信の秘密保持のために高度な暗号技術の必要性が高まっている。現在、一般的に用いられている暗号方式は、ＤＥＳ（データ暗号化規格:Data Encryption Standard）やTriple DESといった秘密鍵暗号方式と、ＲＳＡ（Rivest Shamir Adleman）や楕円曲線暗号方式のような公開鍵暗号に分類される。しかし、これらは「計算の複雑性」を元にその安全性を保証する暗号通信方法であり、膨大な計算量や暗号解読アルゴリズムの出現によって解読されてしまう危険性を常に孕んでいる。
こういった背景の下、量子力学の原理を応用した暗号化システムと情報伝達システムを統合した量子通信システムが研究されつつあり、その具体例の１つである量子暗号鍵配付システム（QKD：Quantum Key Distribution ）は、「絶対に盗聴されない」暗号鍵配付技術として注目されている。
量子暗号鍵配付システムでは、一般に通信媒体として光子を使用し、その量子状態に情報を載せて伝送を行う。伝送路の盗聴者は伝送中の光子をタッピングする等して情報を盗み見るものの、Heisenbergの不確定性原理により、一度観測されてしまった光子を完全に観測前の量子状態に戻すことは不可能となるため、このことによって正規の受信者が検出する受信データの統計値に変化が生じる。この変化を検出することにより受信者は伝送路における盗聴者を検出することができる。
光子の位相を利用した量子暗号鍵配付システムの場合、送信者（いわゆるAlice）に相当する量子暗号送信器と受信者（いわゆるBob）に相当する量子暗号受信器で光学干渉計を構成し、各々の光子に量子暗号送信器および量子暗号受信器でそれぞれランダムに位相変調を施す。この変調位相深さの差によって「０」または「１」の出力を得て、その後、出力データを測定したときの条件の一部分を量子暗号送信器と量子暗号受信器で照合することによって最終的に量子暗号送信器-量子暗号受信器間で同一ビット列を共有することができる。
最も実用化に適した構成として頻繁に用いられている構成の１つとして特表２０００−５１７４９９号公報（以下、文献１という）またはこの構成を簡略化した、"Automated 'plug & play' quantum key distribution", G. Ribordy, J. D. Gautier, N. Gisin, O. Guinnard and H. Zbinden（以下、文献２）に示されているPlug&Play方式が挙げられる。
図１６の方式では、量子暗号受信器１３０３において、レーザーダイオード１３３５から光サーキュレータ１３３４を介して出力された多光子状態の光パルスが、光カプラ１３３３を介して偏波合分波器１３３１へ出力され、時間的に分割され偏光が直交した２つの光パルスが光伝送路１３０２を介して量子暗号送信器１３０１に送信される。
量子暗号送信器１３０１では、量子暗号受信器１３０３からの光パルスを、可変光減衰器１３１４、遅延線１３１３、および光位相変調器１３１２を介してファラデーミラー１３１１により当該光パルスの進行方向を反転させると同時に偏光方向を９０度回転させた後、分割光パルスの間に位相変調器１３１２で位相差を与え、遅延線１３１３および可変光減衰器１３１４を介して量子暗号受信器１３０３へ送り返すという構成をとっている。
このような折り返し構成により、光パルスを時間的に分割する干渉計と時間的に再び結合させる干渉計は同一のものになるため、干渉計の光路差が光パルスの往復時間より長い時間だけ一定に保たれれば精度の良い干渉を実現できる。
量子暗号鍵配付システムを現実世界で実現した場合、有用な単一光子光源がないため、一般的な通信用レーザーダイオード（LD:Laser Diode）で発生させた光パルスを光減衰器によって単一光子レベルまで光強度を落とす、という方法が代替的に使用されており、このような光パルスをＷＣＰ（weak coherent pulse）という。このため、１パルス当たりに光子を２個以上含む可能性が残り、このことが盗聴者にとって有利に働く。中でも、"Quantum cryptography with coherent states", B. Huttner et al., Physical Review A, Vol.51, No.3, pp1863（以下、文献３という）に記載のＰＮＳ（Photon Number Splitting）と呼ばれる盗聴法を使用すると、１パルス当たりに光子が２個以上ある場合には、盗聴者はこのビットの情報を１００％確実に盗聴することができる。
一方では、このＰＮＳ攻撃に対する防衛法も提案されている。例えば、"Quantum Key Distribution with High Loss : Toward Global Secure Communication", W. Y. Hwang et al., Physical Review Letters, Vol.91, No.5, 057901（以下、文献４）に記載のDecoy state（デコイ状態）を使用することによってＷＣＰを使用してもＰＮＳ攻撃を防ぐことができる。この技術では、暗号鍵生成に使用するSignal state（例えば０．６[photon/pulse]）と、光子検出情報を得るために光子数を変化させたDecoy state（例えば０．１[photon/pulse]）を混在させ、ビット毎に両状態をランダムに変化させることによって、ＰＮＳ攻撃を受けた場合に生じる受信光子数の統計量の変化をモニタする。
"Experimental Decoy State Quantum Key Distribution Over 15 km", Y. Zhao et al., quant-ph/0503192（以下、文献５という）では、図１６の量子暗号鍵配付システムと同等の実験系を用いて、このような技術を利用した量子暗号鍵配付の実験報告がなされている。この方式では、量子暗号送信器１３０１において、量子暗号受信器１３０３からの光パルスをファラデーミラー１３１１で反射した後、位相変調器１３１２でφＡの位相変調を施し、量子暗号受信器１３０３へ送り返す。
また、量子暗号受信器１３０３において、量子暗号送信器１３０１からの光パルスを、偏波合分波器１３３１を介して位相変調器１３３２と光カプラ１３３３へ分離し、光パルスに対して位相変調器１３３２でさらにφＢの位相変調を施した後、光カプラ１３３３を介して光子検出器１３３６で光子を検出する。これにより、φＡ−φＢの値によって暗号鍵「０」「１」を共有できる。ここで、可変光減衰器１３１４を駆動してパルス毎の平均光子数、つまり光強度を制御する。
文献５では、光パルス毎の光強度を制御する手段を、一般的に「可変光減衰器」としていた。さらに、"Realizing Decoy State on a High-Speed Quantum Cryptosystem" A. Tanaka et al., Proceedings of ECOC2006, We3.P.186（以下、文献６という）には、光子数制御手段として２電極マッハツェンダー（Mach-Zehnder）ＬＮ（LiNbO3：ニオブ酸リチウム）変調器を使用することによって、光信号の位相と強度の同時変調を可能とする構成が記されている。このような変調手法を採用することで、変調タイミング設計の簡便化および動作速度の高速化、システムコストの低減が可能となっている。
光通信において光強度を高速変調する場合、一般的にマッハツェンダー干渉計による光の干渉効果を利用したＬＮ強度変調器か半導体の電界吸収現象を利用したＥＡ（Electro-Absorption）変調器が利用される。後者のＥＡ変調器は強度変調に伴って周波数変動（チャーピング：Chirping）が起こるため、光子の位相を利用した量子暗号鍵配付には適さない。このため、ＬＮ強度変調器が最も有力な光強度制御手段となるものの、ＬＮ強度変調器ではＤＣドリフトや温度ドリフトなどにより動作点電圧シフトが生じる。
以下にドリフトの影響と、ドリフトを補償するための一般的なオート・バイアス・コントロール（ABC：Auto Bias Control）回路の原理を示す。
正常な変調動作の場合、図１７Ａのような出力光が得られる。ＬＮ強度変調器の変調曲線（トランスファーカーブ）はｃｏｓ２乗の函数曲線であり、この曲線上の最大点と最小点に合わせて駆動信号を施すことによって、最も特性の良い光信号、すなわち消光比（On/Off強度比）の最も大きい光信号を得ることができる。
駆動信号に対して変調曲線が負側（図左側）にドリフトした場合、出力光は図１７Ｂのように変化する。この例では、図１７Ａで最も光を消光していた電圧「０」を施しても出力光は消光しきらず、最も光を透過していた電圧「１」を施しても出力光はある程度消光され弱くなる。
一方、駆動信号に対して変調曲線がプラス側（図右側）にドリフトした場合、出力光は図１７Ｃのように変化し、この例でも出力光の消光比は劣化する。この際、「０」レベルの光強度が高くなり「１」レベルの光強度が低くなるため、出力光の合計強度はドリフトの有無に係わらずほぼ一定となり、この光強度情報を元にバイアス制御を行っても精度の良い制御は行えない。
このため、光通信において、ＬＮ強度変調を用いて光強度を高速変調する場合、その光強度変調動作を長時間安定動作させるためには、このような動作点電圧シフトを補償する必要がある。
従来、光強度変調器のバイアス制御技術として、特開２００４−０９３９６９号公報（以下、文献７という）には、図１８Ａに示すように、マッハツェンダー干渉計出力にモニタＰＤ（フォトダイオード）を配置して、光強度変調後の光信号をモニタし、この光信号に重畳されているパイロット信号をバイアス制御にフィードバックする技術が提案されている。
図１８Ｂ，図１８Ｃに示すように、変調器駆動信号に周波数ｆｐ[Hz]のパイロット信号を重畳した場合、動作点が正しい位置にある場合、駆動信号の「０」レベルおよび「１」レベルはともに変調曲線の極小・極大点に相当するため、出力光は極点で折り返されて２ｆｐ[Hz]の速度で強度変化する。一方、動作点が誤った位置にある場合は、出力光に２ｆｐ[Hz]成分は発生しない。したがって、このような現象を利用して、光強度変調後の出力光に重畳されている２ｆｐ[Hz]成分をモニタし、この出力光の２ｆｐ[Hz]成分を最大にするようバイアス制御を行うことにより、ドリフトを補償することが可能となる。
その他、"NOVEL AUTOMATIC BIAS VOLTAGE CONTROL FOR TRAVELLING-WAVE ELECTRODE OPTICAL MODULATORS", T. Kataoka et al., ELECTRONICS LETTERS, Vol.27, No.11, p943（以下、文献８という）では、進行波型電極の特徴を利用したバイアス制御方法が提案されている。この方式では、変調器駆動信号の伝播方向に対し光の伝播方向が逆方向であるときに変調器の帯域が大幅に削減される、という現象を利用し、駆動信号と逆方向に伝播するプローブ光の平均パワーの変動から変調器のバイアス変動を検知している。
特表２０００−５１７４９９号公報（文献１） 特開２００４−０９３９６９号公報（文献７） 特開２００３−２４３６９１号公報（文献１０） 特開２００３−３３５２２８号公報（文献１３）
"Automated 'plug & play' quantum key distribution", G. Ribordy, J. D. Gautier, N. Gisin, O. Guinnard and H. Zbinden（文献２） "Quantum cryptography with coherent states", B. Huttner et al., Physical Review A, Vol.51, No.3, pp1863（文献３） "Quantum Key Distribution with High Loss : Toward Global Secure Communication", W. Y. Hwang et al., Physical Review Letters, Vol.91, No.5, 057901（文献４） "Experimental Decoy State Quantum Key Distribution Over 15 km", Y. Zhao et al., quant-ph/0503192（文献５） "Realizing Decoy State on a High-Speed Quantum Cryptosystem" A. Tanaka et al., Proceedings of ECOC2006, We3.P.186（文献６） "NOVEL AUTOMATIC BIAS VOLTAGE CONTROL FOR TRAVELLING-WAVE ELECTRODE OPTICAL MODULATORS", T. Kataoka et al., ELECTRONICS LETTERS, Vol.27, No.11, p943（文献８） "ＢＢ８４ Quantum Key Distribution System Based on Silica-Based Planar Lightwave Circuits", Y. Nambu et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.8B, 1109（文献９） "Secret-key Reconciliation by Public Discussion" G.Brassard and L.Salvail, in Advances in Cryptology - EUROCRYPT '93 Procedings, Lecture Notes in Comuter Science, Vol.765, p410-423（文献１１） "Generalized Privacy Amplification" C. H. Bennet, G. Brassard, C. Crepeau, and U. M. Maurer, IEEE Trans. Inf. Theory, Vol.41, No.6, p1915（文献１２）
しかしながらこのような従来技術では、光強度変調後の光信号に重畳されている特定の周波数成分をモニタして、光強度変調時のバイアス制御にフィードバックしているため、光信号が微小強度である量子通信に対して適用できないという問題点があった。
量子通信では、微小強度の光信号を用いているため、このような光信号をモニタしても、各々の光パルスの中に光子が「１：検出できた」か「０：検出できなかった」かの２値データしか得られない。また、伝送路損失や光子検出器効率によって大部分のパルスで光子は検出できない。したがって、光強度変調後の光信号を光子検出器でモニタした場合の出力は、大部分の「０」（光子未検出）の中に稀に「１」（光子検出）が現れるようなデータとなる。
このため、微小強度の光信号に対して、従来技術のように、例えば図１８Ａに示したような２ｆｐ[Hz]成分からなるパイロット信号を重畳しても、この周波数成分を適切にモニタすることができず、光強度変調のバイアス制御に利用できない。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、微小強度の光信号を通信媒体として用いる量子通信であっても、その光信号を光強度変調する際の動作点を適切に制御することが可能な量子暗号鍵配付システム、光送信器、光変調制御回路、および光変調制御方法を提供することを目的としている。
このような目的を達成するために、本発明にかかる光送信器は、入力された光信号を強度変調して出力する光変調器と、前記光変調器の強度変調を制御する駆動信号を生成して前記光変調器へ出力する駆動信号生成回路と、前記光変調器で強度変調した光信号から検出した光子数に関する光子検出情報に基づいて前記駆動信号の動作点を制御する光変調制御回路とを備え、前記駆動信号生成回路が、出現頻度に偏りを有する複数の異なる振幅値をとる電気信号を前記駆動信号として生成するようにしたものである。
また、本発明にかかる光変調制御回路は、光変調器で強度変調した光信号から検出した光子数に関する光子検出情報を取得する情報取得部と、この情報取得部で取得した光子検出情報に基づき前記光変調器の動作点を制御する動作点制御部とを備え、前記動作点制御部は、前記光変調器の強度変調を制御するための駆動信号を入力とし、前記光子検出情報に基づき前記駆動信号のバイアス電圧を制御して前記光変調器へ出力し、前記駆動信号が、出現頻度に偏りを有する複数の異なる振幅値をとる電気信号からなるものである。
また、本発明にかかる他の光変調制御回路は、光変調器で強度変調した光信号から検出した光子数に関する光子検出情報を取得する情報取得部と、この情報取得部で取得した光子検出情報に基づき前記光変調器の動作点を制御する動作点制御部とを備え、前記光子検出情報が、前記光変調器で強度変調した光信号の各光パルスから検出した単位時間当たりの光子検出数からなるものである。
また、本発明にかかる光変調制御方法は、光変調器で強度変調した後の光信号から検出した光子数に関する光子検出情報に基づいて、前記光変調器の強度変調を制御するための駆動信号のバイアス電圧を制御して、その駆動信号を前記光変調器へ出力することにより、前記光変調器の動作点を制御し、前記駆動信号が、出現頻度に偏りを有する複数の異なる振幅値をとる電気信号からなるものである。
また、本発明にかかる他の光変調制御方法は、光変調器で強度変調した後の光信号から検出した光子数に関する光子検出情報に基づいて前記光変調器の動作点を制御し、前記光子検出情報が、前記光変調器で強度変調した光信号の各光パルスから検出した単位時間当たりの光子検出数からなるものである。
本発明によれば、微小強度の光信号についても変調後の光信号状態を光子検出数として検出でき、この光子検出数に基づいて光強度変調時の動作点を制御することが可能となる。したがって、微小強度の光信号を媒体とする量子通信であっても、その光信号を光強度変調する際の動作点を適切に制御でき、長時間安定して光変調動作を維持することができる。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる量子通信システムの構成を示すブロック図である。 図２Ａは、バイアス制御回路の構成例を示すブロック図である。 図２Ｂは、乱数源の構成例を示すブロック図である。 図３は、光子の位相を利用した量子暗号鍵配付の概念を示す説明図である。 図４は、残留エラー検知過程を示す従来例である。 図５は、公知の秘匿増強過程のフローシーケンス図である。 図６Ａは、量子暗号送信器の光変調器での光変調動作（正常時）を示す信号波形図である。 図６Ｂは、量子暗号送信器の光変調器での光変調動作（負側シフト時）を示す信号波形図である。 図６Ｃは、量子暗号送信器の光変調器での光変調動作（正側シフト時）を示す信号波形図である。 図７は、本発明の第１の実施形態にかかる量子通信システムにおける光変調器バイアス制御処理を示すフローチャートである。 図８は、本発明の第１の実施形態にかかる量子通信システムの他の構成を示すブロック図である。 図９は、本発明の第２の実施形態にかかる量子通信システムの構成を示すブロック図である。 図１０Ａは、２電極型光強度変調器を示す簡略図である。 図１０Ｂは、２電極型光強度変調器の変調動作を示す信号波形図である。 図１１は、本発明の第２の実施形態にかかる量子通信システムにおける光変調器バイアス制御処理を示すフローチャートである。 図１２Ａは、駆動信号間のオフセットを変化させた際（Ｐμ：Ｐμ'：Ｐ0＝１：１：１）の光子検出器の計測数の変化を説明図である。 図１２Ｂは、駆動信号間のオフセットを変化させた際（Ｐμ：Ｐμ'：Ｐ0＝４：１：１）の光子検出器の計測数の変化を説明図である。 図１２Ｃは、駆動信号間のオフセットを変化させた際（Ｐμ：Ｐμ'：Ｐ0＝１６：１：１）の光子検出器の計測数の変化を説明図である。 図１３は、本発明の第２の実施形態にかかる量子通信システムにおける光変調器バイアス制御処理を示す他のフローチャートである。 図１４は、本発明の第２の実施形態にかかる量子通信システムにおける光変調器バイアス制御処理を示す他のフローチャートである。 図１５は、本発明の第２の実施形態にかかる量子通信システムにおける光変調器バイアス制御処理を示す他のフローチャートである。 図１６は、一般的な量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図である。 図１７Ａは、ドリフトの影響による光波形歪み（正常時）を示す信号波形図である。 図１７Ｂは、ドリフトの影響による光波形歪み（負側ドリフト時）を示す信号波形図である。 図１７Ｃは、ドリフトの影響による光波形歪み（正側ドリフト時）を示す信号波形図である。 図１８Ａは、文献７に記載されたバイアス電圧制御の構成を示すブロック図である。 図１８Ｂは、文献７に記載されたバイアス電圧制御動作（正常時）を示す信号波形図である。 図１８Ｃは、文献７に記載されたバイアス電圧制御動作（正側ドリフト時）を示す信号波形図である。
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態にかかる量子通信システムについて説明する。
図１の量子通信システムは、乱数や暗号鍵などの所望のデータにより単一光子レベルの微小強度の光信号を光変調して送信する量子暗号送信器１１と、光伝送路１２を介して量子暗号送信器１１から届いた光信号を検出して元のデータを出力する量子暗号受信器１３とから構成されている。
本実施形態は、量子暗号送信器１１により、所望のデータに基づいて光信号に対し光位相変調および光強度変調を行うことにより量子暗号受信器１３へ送信する所望の光信号を生成し、この所望の光信号から検出された光子検出数に基づいて光強度変調時の動作点を制御するようにしたものである。
本実施形態では、量子通信システムのうち、"ＢＢ８４ Quantum Key Distribution System Based on Silica-Based Planar Lightwave Circuits", Y. Nambu et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.8B, 1109（以下、文献９）に記載されたような単一方向型の量子暗号鍵配付システムにDecoy stateを導入した場合を例に説明する。以下では、Decoy stateとして平均光子数＝０.１[photon/pulse]の状態を設定し、Signal stateとして平均光子数＝０.６[photon/pulse]の状態と設定する。
量子暗号送信器（光送信器）１１は、単一光子レベルの微小強度の光信号を光変調して量子通信を行う光通信装置であり、主な機能部として、光子源１１０１、非対称マッハツェンダー干渉計１１０２、位相変調器１１０３，１１０４、ＬＮ強度変調器１１０５、変調器ドライバ１１０６，１１０７，１１０９、バイアス制御回路１１０８、乱数源１１１０〜１１１２、および鍵蒸留回路１１１３が設けられている。この際、位相変調器１１０３，１１０４が請求項１の第１の光位相変調器に相当し、ＬＮ強度変調器１１０５が請求項５の光変調器に相当し、変調器ドライバ１１０９が請求項５の駆動信号生成回路に相当し、鍵蒸留回路１１１３が請求項１の第２の鍵蒸留回路に相当する。また、乱数源１１１０、１１１１で生成される乱数が請求項１の第１の乱数に相当し、乱数源１１１２で生成される乱数が請求項１の第２の乱数に相当する。
量子暗号通信時において、量子暗号送信器１１は、光子源１１０１によって単一光子レベルの微小強度からなる光パルス（光子パルス）を送出し、非対称マッハツェンダー干渉計１１０２で時分割された２連パルスを作り出す。この２連パルスの内に片方に対して、位相変調器１１０３、１１０４で位相変調を施し、４状態の位相変調信号（「０」,「π／２」,「π」,「３π／２」）を作り出す。位相変調器１１０３は乱数源１１１０出力の乱数で駆動し、位相変調器１１０４は乱数源１１１１出力の乱数で駆動する。
この際、位相変調器１１０３では、光パルスに対して「０」または「π」の位相変調が加わるように、また、位相変調器１１０４では、光パルスに対して「０」または「π／２」の位相変調が加わるように、各々の変調器ドライバ１１０６、１１０７の利得を設定する。
図２Ａに示すように、バイアス制御回路１１０８（光変調制御回路）は、計数回路１３５から送信されたデータ信号を受信することにより、計数回路１３５から通知された光子検出情報を取得する情報取得部１１０８Ａと、この光子検出情報に基づいてＬＮ強度変調器１１０５の強度変調を制御するための駆動信号のバイアス電圧を制御することにより動作点を制御する動作点制御部１１０８Ｂとを有しており、量子暗号受信器１３で取得された光子検出情報に基づいて、動作点制御部によりＬＮ強度変調器１１０５の動作点を制御する。
乱数源１１１２は、乱数源１１１０、１１１１と異なり、出現頻度に偏りを有する複数の異なる振幅値をとる乱数として、例えば単位時間あたりの「１」の割合を示すマーク率が５０％でない乱数を作り出し、得られた乱数パルス信号に基づき、複数の異なる振幅値、例えば２値をとる電気信号を駆動信号として出力する。ここでの強度２値はSignal StateとDecoy Stateに対応する。
バイアス制御回路１１０８は、情報取得部１１０８Ａで取得した光子検出情報（デジタル情報）を、動作点制御部１１０８ＢによりＤ／Ａ変換して、ドライバで適正な直流のバイアス制御電圧に変換した後、変調器ドライバ１１０９を介して入力された乱数源１１１２からの乱数パルス信号、すなわち駆動信号に対して、加算器でバイアス制御電圧を加算した後、ＬＮ強度変調器１１０５へ出力する。
ＬＮ強度変調器１１０５は、光検出情報に基づきバイアス制御された、乱数源１１１２からの乱数パルス信号からなる駆動信号で駆動され、位相変調器１１０４からの光パルスに対して２値の強度変調を行う。これにより、ＬＮ強度変調器１１０５では、入力された光信号の各光パルスに対して、駆動信号に基づき変調度の異なる強度変調を不均一な頻度で施すことになる。
このようにして、量子暗号送信器１１において、それぞれ乱数に基づき個別に位相変調および強度変調された光パルスは、光伝送路１２を通り、量子暗号受信器１３へと入射する。
量子暗号受信器１３は、単一光子レベルの微小強度からなる光信号を光変調して量子通信を行う光通信装置であり、主な機能部として、位相変調器１３１、非対称マッハツェンダー干渉計１３２、光子検出器１３３、変調器ドライバ１３４、計数回路１３５、乱数源１３６、および鍵蒸留回路１３７が設けられている。この際、位相変調器１３１が請求項１の第２の光位相変調器に相当し、鍵蒸留回路１３７が請求項１の第１の鍵蒸留回路に相当する。また、乱数源１３６で生成される乱数が請求項１の第３の乱数に相当する。
量子暗号受信器１３では、位相変調器１３１により、２連パルスの内の量子暗号送信器で変調を施さなかった光パルスに対して「０」または「π／２」の２値位相変調を施し、量子暗号送信器側の非対称マッハツェンダー干渉計１１０２と同じ光路差を有する非対称マッハツェンダー干渉計１３２によって２つのパルスを干渉させる。干渉後の光パルスは、特開２００３−２４３６９１号公報（以下、文献１０という）に記載の平衡型ゲートモードの光子検出器１３３を用いて検出する。鍵蒸留回路１１１３，１３７は、各変調に使用した乱数と光子検出器１３３において検出した光子検出情報を元に最終鍵を生成する。
ここで、量子暗号受信器１３は、計数回路１３５によって、光子検出器１３３における単位時間当たりの光子数（光子検出数）を計測し、光子検出情報として量子暗号送信器１１のバイアス制御回路１１０８へデータ信号により送信する。
バイアス制御回路１１０８は、計数回路１３５から送信されたデータ信号を受信することにより、計数回路１３５から通知された光子検出情報を取得する情報取得部と、この光子検出情報に基づいてＬＮ強度変調器１１０５の動作点を制御する動作点制御部とを有し、情報取得部で取得された光子検出情報に基づいて、動作点制御部によりＬＮ強度変調器１１０５の駆動信号のバイアスを制御する。
乱数源１１１２では、マーク率が５０％より外れた乱数を出力しなければならないものの、乱数に周期性や規則性が存在してはならない。これは盗聴者に各パルスの平均光子数を推定させないためである。
乱数源１１１０〜１１１２は、図２Ｂに示すように、セレクタ２０４，２０５，２０９，２１０、ゲート回路２０６〜２０８、およびＤＦＦ２１２の組合せ回路から構成されている。
乱数源１１１０〜１１１２において、制御レジスタ２１１によりセレクタ２０４，２０５，２０９，２１０を切替制御することにより、物理源乱数２０１〜２０３からの乱数出力データが所望のマーク率で組み合わされて、ＤＦＦ２１２で所定のクロックに合わせて同期出力される。本回路を使用すると出力乱数のマーク率を０〜１００％まで１２.５％刻みに設定することができる。乱数の規則性を無くすために物理乱数源２０１〜２０３からの出力乱数を元に出力乱数を作成する。
マーク率５０％の乱数を出力したい場合は、セレクタ２０４で「０」を出力するように選択することによってＡＮＤゲート２０６の出力を常に「０」とすることで、ＮＯＲゲート２０８の出力が物理乱数源２０３出力の反転となるため、セレクタ２０９でＮＯＲゲート２０８出力を選択すれば、セレクタ２１０の設定に係わらず出力乱数のマーク率は５０％となる。マーク率２５％や７５％の乱数を出力したい場合は、セレクタ２０４で物理乱数２０１出力を選択し、セレクタ２０５で「１」を出力するように選択することによって、物理乱数２０１出力がＡＮＤゲート２０６出力となるため、ＡＮＤゲート２０７出力乱数のマーク率は２５％となる。セレクタ２０９ではＡＮＤゲート２０７出力を選択し、セレクタ２１０を切り替えることで、出力乱数のマーク率を２５％と７５％で切り替えることができる。
マーク率１２.５％や８７.５％の乱数を出力したい場合は、セレクタ２０４で物理乱数源２０１出力を選択し、セレクタ２０５で物理乱数源２０２出力を選択することによってＡＮＤゲート２０７出力は１２.５％の乱数となるため、セレクタ２０９でＡＮＤゲート２０７出力を選択し、セレクタ２１０を切り替えることで、出力乱数のマーク率を１２.５％と８７.５％で切り替えることができる。最後に、マーク率３７.５％や６２.５％の乱数を出力したい場合は、セレクタ２０４で物理乱数源２０１出力を選択し、セレクタ２０５で物理乱数源２０２出力を選択することによってＮＯＲゲート２０８出力乱数のマーク率は３７.５％となるため、セレクタ２０９でＮＯＲゲート２０８出力を選択し、セレクタ２１０を切り替えることで、出力乱数のマーク率を３７.５％と６２.５％で切り替えることができる。
図３には、図１に示した量子暗号送信器１１および量子暗号受信器１３を量子暗号鍵配付システムの送信側および受信側として用いた場合が示されている。この場合、量子暗号送信器１１において、乱数源１１１０，１１１１の出力乱数が図３の送信側におけるデータＡと基底Ｂにそれぞれ相当し、位相変調器１１０４から出力される位相変調信号の位相が図３の送信側における位相Ｃに相当する。なお、乱数源１１１２の出力乱数は、光強度変調に用いられる乱数である。
一方、量子暗号受信器１３の乱数源１３６の出力乱数が図３の送信側における基底Ｄに相当し、位相変調器１３１から出力される位相変調信号の位相が図３の送信側における位相Ｅに相当する。また、量子暗号受信器１３の光子検出器１３３から鍵蒸留回路１３７へ出力される乱数情報が出力Ｆ（光子検出情報）に相当する。
鍵蒸留回路１３７は、光子検出器１３３で検出した光子検出情報と乱数源１３６で生成した乱数を示す乱数情報を、光伝送路１２とは別個の通信回線を介して鍵蒸留回路１１１３へ通知する。鍵蒸留回路１１１３は、鍵蒸留回路１３７から通知された光子検出結果および乱数情報と、乱数源１１１０〜１１１２で生成した乱数とを照合することにより暗号鍵を生成する。
光子の位相を利用した量子暗号鍵配付方法の場合、送信者と受信者（以下AliceとBobと称する）で干渉計を組織し、各々の光子にAliceおよびBobでそれぞれランダムに位相変調を施す。この変調位相深さの差によって「０」または「１」の出力を得た後、出力データを測定したときの条件の一部分をAliceとBobで照合することによって最終的にAliceとBob間で同一ビット列を共有することができる。以降、この共有ビット列を秘密ビット列（秘密鍵）と称する。
こうして共有した秘密ビット列ＫA，ＫBには伝送路および受信器の性能に起因する誤りが含まれており、最終的な暗号鍵を生成するためには、暗号鍵抽出作業が必要となる。この作業には、誤り訂正過程、後段の秘匿増強過程を行う前に共有ビット列に誤りがないことを確認する残留エラー検知過程、および当該誤りが伝送路における盗聴によって発生していると仮定して鍵情報の振るい落としを行う秘匿増強過程がある。
上記の誤り訂正過程の従来例として、"Secret-key Reconciliation by Public Discussion" G.Brassard and L.Salvail, in Advances in Cryptology - EUROCRYPT '93 Procedings, Lecture Notes in Comuter Science, Vol.765, p410-423（以下、文献１１という）に示されたような方法がある。この方法では、送受信者が秘密ビット列を複数のブロックに分割し、各ブロックのパリティを照合することによって誤りを含むブロックを特定し、当該ブロックに関してハミング符号を適用する等して誤り訂正を行う。加えて、１つのブロック内に偶数個の誤りを含む場合を想定し、秘密ビット列をランダムに並び替えて再度パリティ照合並びに誤り訂正を行う。ここで、ランダム置換を行うために上記の秘密ビット列ＫA，ＫBとは別の乱数を共有する必要がある。前述の、量子暗号鍵配付で共有した乱数（秘密ビット列）との混同を避けるために、以降、暗号鍵抽出作業で使用する乱数を単に共有乱数と称する。この過程で秘密ビット列ＫA，ＫBは圧縮されてＫA’，ＫB’になる。
図４に示すように、残留エラー検知過程を示す従来例において、Aliceは内部で乱数（パリティ検査ビット情報）を生成し、自身の保有する誤り訂正後の秘密ビット列ＫA’に関して上記乱数で指定されたビット位置のパリティを計算し、乱数（パリティ検査ビット情報）とともにBobに送信する。Bobは受け取った乱数に基づいて自身の保有する秘密ビット列ＫB’のパリティを計算し、Aliceの計算したパリティと一致するかどうかを判断してＯＫかＮＧかを送信者に連絡する。以上のような確認作業を複数回（Ｖ回とする）繰り返すことによって秘密ビット列の残留エラー検知を行う。ただし、以上のようにパリティを公開することによってＶビットの情報量が第三者に漏れているため、Ｖビットの鍵を破棄する。この過程で秘密ビット列ＫA’，ＫB’はＫA”，ＫB”となる。
また、秘匿増強過程の従来例としては、"Generalized Privacy Amplification" C. H. Bennet, G. Brassard, C. Crepeau, and U. M. Maurer, IEEE Trans. Inf. Theory, Vol.41, No.6, p1915（以下、文献１２という）に示されたような方法がある。図５に示すように、公知の秘匿増強過程では、Aliceは内部で乱数（パリティ計算ビット）を生成し、自身の保有する秘密ビット列ＫA”に関して上記乱数で指定されたビット位置のパリティを計算して、概パリティを１ビットの鍵とする。続いて上記の乱数（パリティ計算ビット）をBobに送信する。受信者は受け取った乱数に基づいて自身の保有する秘密ビット列ＫB”のパリティを計算し、概パリティを１ビットの鍵とする。上記作業を繰り返し、伝送路において盗聴されたと考えうる分の情報量を破棄して、新たな秘密鍵を作成する。以上に示したように、誤り訂正過程、残留エラー検知過程、および秘匿増強過程には、ともにビット位置を指定するための共有乱数が必要となる。
［第１の実施形態の動作］
次に、図６Ａ〜図６Ｃを参照して、本発明の第１の実施形態にかかる量子通信システムの動作について説明する。
まず、図６Ａは、ＬＮ強度変調器の動作点が正しい位置にある場合を示しており、光強度の最も強い状態がSignal stateに、弱い状態がDecoy stateに対応している。ここで、ＬＮ強度変調器駆動信号のマーク率は５０％からずれていて、Signal stateをより多く作り出すようになっている。したがって、平均光強度はSignal stateのそれに近く、つまり光子検出器での計測数もSignal stateの光強度でほぼ決定される。
一方、図６Ｂは、変調曲線が変調器駆動信号に対して負側（図左側）にシフトした場合を示している。図６Ａで最も光を消光していた電圧を施した場合の光出力が高くなり最も光を透過していた電圧を施した場合の光出力は弱くなるものの、平均光強度はSignal stateのそれに近いため、図６Ａと比べて明らかに低くなる。
変調曲線がプラス側（図右側）にシフトした場合も同様、図６Ｃに示すように平均光強度は図６Ａと比べて明らかに低くなる。つまり、変調曲線と変調器駆動信号を図６Ａの状態に保つためには、計数回路１３５での計測数が最大となるよう、図１のバイアス制御回路１１０８を駆動すればよい。
次に、図７を参照して、本発明の第１の実施形態にかかる量子通信システムにおける光変調器バイアス制御動作について説明する。ここでは、単位時間当たりにおけるすべての光パルスからの光子検出数を光子検出情報として用いる場合を例として説明するが、いずれかの変調度の光パルスからの光子検出数を光子検出情報として用いてもよく、異なる変調度の光パルスごとに計数した光子検出数の比を光子検出情報として用いてもよい。
量子暗号受信器１３の計数回路１３５は、単位時間Ｔ秒毎の計測数をバイアス制御回路１１０８へ順次送信する。量子暗号送信器１１のバイアス制御回路１１０８は、単位時間当たりの光子検出数からなる計測数Ｎを量子暗号受信器１３から受信し、バイアス制御方向の正負を決定する変数Ｆｌｇとして初期値「０」を記憶部（図示せず）に保存した後（ステップＳ４０１）、初回のみ、仮に変調信号のバイアスを＋Ｖ0だけシフトする（ステップＳ４０２）。
続いて、バイアス制御回路１１０８は、量子暗号受信器１３から通知された光子計測数ＮをＮ'として記憶部に保存し、次の単位時間当たりの計測数Ｎと比較する（ステップＳ４０３）。ここで、Ｎ−Ｎ'が予め記憶部に設定してある参照値Ｎref1より大きい場合、つまりバイアスシフトによって計測総数が増加した場合（ステップＳ４０４：ＹＥＳ）、変数Ｆｌｇの値を確認する。ここで、Ｆｌｇの値が「０」であれば（ステップＳ４０５：ＹＥＳ）、変調信号のバイアスを＋Ｖ0だけ、すなわち正側にシフトし（ステップＳ４０６）、逆にＦｌｇの値が「１」であれば（ステップＳ４０５：ＮＯ）、変調信号のバイアスを−Ｖ0だけ、すなわち負側にシフトする（ステップＳ４０７）。
この際、ステップＳ４０５の判断を初回に行う場合、変数Ｆｌｇは初期値「０」に設定されているため、常にステップＳ４０６へ移行することになる。また、ステップＳ４０６またはＳ４０７でのバイアスシフト後、ステップＳ４０３へ戻って、現在の光子計測数Ｎ'と次の新たな単位時間当たりの計測数Ｎとの比較を繰り返し実行する。
一方、ステップＳ４０４において、Ｎ−Ｎ'が参照値Ｎref1以下の場合（ステップＳ４０４：ＮＯ）、Ｎ'−Ｎと予め記憶部に設定してある参照値Ｎref2を比較する。ここで、Ｎ'−Ｎが参照値Ｎref2より大きい場合、つまりバイアスシフトによって計測総数が減少した場合（ステップＳ４０８：ＹＥＳ）、変数Ｆｌｇの値を確認する。ここで、Ｆｌｇの値が「０」であれば（ステップＳ４０９：ＹＥＳ）、変調信号のバイアスを−Ｖ0だけ、すなわち負側にシフトするとともにＦｌｇに「１」を設定し（ステップＳ４１０）、逆にＦｌｇの値が「１」であれば（ステップＳ４０９：ＮＯ）、変調信号のバイアスを＋Ｖ0だけ、すなわち正側にシフトするとともにＦｌｇに「０」を設定する（ステップＳ４１１）。
光子受信器での計測数は特定の誤差をもって変動するため、Ｎref1およびＮref2はこの誤差範囲以上とすることが望ましい。ステップＳ４０６またはＳ４０７でのバイアスシフト後、ステップＳ４０３へ戻って、現在の光子計測数Ｎ'と次の新たな単位時間当たりの計測数Ｎとの比較を繰り返し実行する。
以上のようなフローにしたがって変調信号のバイアスを制御することによって、変調曲線と変調信号が正しい関係に保たれる。
［第１の実施形態の効果］
従来のオート・バイアス・コントロール回路は、量子通信システムで使用する光強度変調器のバイアスを制御することができなかった。これは、従来の方式が変調器出力の光をモニタＰＤで受光し、変調後の光信号の情報を元にバイアス制御を行っていたのに対し、量子通信システムでは単一光子レベルの微小強度の光強度を使用するため、モニタＰＤで変調光信号情報を得ることができなかったためである。
これに対して、本実施形態は、量子暗号送信器１１において、位相変調器１１０３，１１０４とＬＮ強度変調器１１０５を用いて、所望のデータに基づいて光信号に対し光位相変調および光強度変調を行うことにより量子暗号受信器１３へ送信する所望の光信号を生成し、この所望の光信号から検出された光子検出数に基づいて、バイアス制御回路１１０８により、ＬＮ強度変調器１１０５での光強度変調時の動作点を制御するようにしたので、単一光子レベルの光強度を利用する量子通信であっても、変調後の光信号状態を光子検出数として検出でき、この光子検出数に基づいて光強度変調時の動作点を制御することが可能となる。
したがって、微小強度の光信号を媒体として所望のデータを送受信する量子通信システムであっても、その光信号を光変調する際の動作点を適切に制御でき、長時間安定して光変調動作を維持することができる。
また、単一光子レベルの信号を受光するために量子暗号受信器１３に配置された光子検出器１３３での光子検出情報に基づいて量子暗号送信器１１の光ＬＮ強度変調器１１０５のバイアス制御を行うようにしたので、光子検出のための新たに追加する構成を最小限に抑えることができ、システム全体のコストを低減できる。
本実施形態では、量子暗号受信器１３で得られた光子検出情報を量子暗号送信器１１へ通知する場合を例として説明したがこれに限定されるものではなく、量子暗号送信器１１で光子検出情報を得るようにしてもよい。
図８の例では、量子暗号送信器５１のＬＮ強度変調器１１０５からの出力直後に分光器５１０１を設けて光を分岐し、その一方は、光伝送路５２を介して量子暗号受信器５３へ送信し、他方は、光子検出器５１０２で光子を検出し、得られた光子検出情報に基づいて、計数回路５１０３で光子検出器１３３における単位時間当たりの光子検出数を計測して、バイアス制御回路１１０８へフィードバックしている。この際、分光器５１０１での分岐により光強度の低減を考慮してＬＮ強度変調器１１０５から適切な光強度で光を出力すればよい。
また、従来のバイアス制御回路で使用していた、変調器駆動信号に周波数ｆｐ[Hz]のパイロット信号を重畳して変調後光信号の２ｆｐ[Hz]成分をモニタすることによって制御精度を向上させる、という方法は、量子暗号鍵配付で使用する光強度変調器を制御するためには用いることができなかった。これは、量子暗号鍵配付において強度変調後の信号情報を得るためには上記のように光子検出器を使用せざるを得ないにも係わらず、光子検出器で得られる情報は各々のパルスの中に光子が検出されたか否かの２値情報のみであるため、変調器駆動信号にｆｐ[Hz]のパイロット信号を重畳しても、光子検出情報からは２ｆｐ[Hz]成分を抽出することができないためである。
本実施形態では、変調器駆動信号のマーク率を５０％からシフトさせることによって、光子検出総数の情報のみによって変調器のバイアス変動を精度良く監視することを可能としている。通常の光通信において送信信号のマーク率を５０％からシフトさせると、送信できる情報量が減少するというデメリットを有するが、Decoy stateを利用した量子暗号鍵配付ではこのマーク率の偏りを有効利用できる。この際、マーク率を５０％からシフトさせる代わりに、後述する第２の実施形態のように、３つ以上の多値レベルの比を代えても同じことが云える。
一般的に、Decoy stateの光パルスは生成暗号鍵の元となる乱数共有には使用せず、ＰＮＳ盗聴が存在した場合の計測数の変化や伝送路損失を監視するために利用する。この理由として、Decoy stateの光パルスを乱数共有に利用した場合には漏洩情報量推定のための計算量が増加すること、およびDecoy stateの平均光子数はSignal stateよりも低く本質的に多くのビットを共有できないこと、が挙げられる。このような理由により、Signal stateの光強度が変調曲線の最大透過強度となり、またDecoy stateの光強度が適切に消光した状態となるように変調器駆動信号レベルを設定し、Signal stateの割合が多くなる方向にマーク率を５０％からシフトさせることによって、効率良く量子暗号鍵配付を行うことができる。
また、本実施形態では、Decoy stateの平均光子数をSignal stateのそれよりも低く設定したが、Decoy stateの平均光子数をSignal stateのそれよりも高く設定する場合は、逆に、Decoy stateの光パルスを乱数共有に利用し、マーク率偏りを本実施形態と逆にすることによって同様の議論が行える。
また本実施形態では、送信光信号を生成する際、光パルスの位相変調を行った後に強度変調を行ったが、これらの変調順序は逆でもよい。光パルスの位相を４状態に設定するために本実施形態では２つの位相変調器を使用したが、１つの位相変調器を４値信号で駆動する構成としてもよい。
［第２の実施形態］
次に、図９を参照して、本発明の第２の実施形態にかかる量子通信システムについて説明する。
この量子通信システムは、乱数や暗号鍵などの所望のデータにより単一光子レベルの微小強度の光信号を光変調して送信する量子暗号送信器６１と、光伝送路６２を介して量子暗号送信器６１から届いた光信号を検出して元のデータを出力する量子暗号受信器６３とから構成されている。
第１の実施形態では、文献９に記載されたような単一方向型の量子暗号鍵配付システムにDecoy stateを導入した場合を例に説明した。本実施形態では、文献２に記載されたような往復型の量子暗号鍵配付システムにDecoy stateを導入した場合を例に説明する。以下では、Decoy stateとして平均光子数＝０.３[photon/pulse]の状態を設定するとともに、Signal Stateとして平均光子数＝０.６[photon/pulse]の状態と設定し、さらに、漏洩情報量を精度よく推定するために、平均光子数＝０の状態も混在させて設定する。
量子暗号受信器６３は、単一光子レベルの光信号を光変調して量子通信を行う光通信装置であり、主な機能部として、偏波合成器６３１、位相変調器６３２、光カプラ６３３、サーキュレータ６３４、レーザーダイオード６３５、光子検出器６３６、および計数回路６３７が設けられている。
量子暗号受信器６３において、レーザーダイオード６３５から出力された光パルスは、サーキュレータ６３４によって光カプラ６３３へと送られる。この光パルスは光カプラ６３３によって２分岐され、一方は、直接、偏波合成器６３１へと送られ、他方は位相変調器６３２を通過して偏波合成器６３１へと送られる。
偏波合成器６３１は、光カプラ６３３と位相変調器６３２から入力された２つの光パルスを合波して光伝送路６２へと送り出すが、この際２つの経路に差を与えておき、２つのパルスは時間的に分割されて多重化される。
量子暗号送信器６１は、単一光子レベルの光信号を光変調して量子通信を行う光通信装置であり、主な機能部として、２電極型ＬＮ変調器６１１、偏波合分波器６１２、光減衰器６１３、バイアス制御回路６１４、およびＡＭ／ＰＭ駆動信号ドライバ６１５が設けられている。この際、２電極型ＬＮ変調器６１１から第１の光変調器および第２の光変調器が実現される。
光伝送路６２を通過した光パルスは、量子暗号送信器６１で受信され、偏波合分波器６１２で偏波状態によって分離される。分離後、ＰＢＳループを周回する間に２電極型ＬＮ変調器６１１において位相変調および強度変調が施され、再度、偏波合分波器６１２で結合され、量子暗号受信器６３へ反射される。ここで、特開２００３−３３５２２８号公報（以下、文献１３）に記載の変調方法を使用することによって偏光を９０°回転して反射することができる。
文献１３記載の変調方法を実現するために、本実施形態では２電極型ＬＮ変調器６１１を使用した文献６の方法を利用している。ＡＭ／ＰＭ駆動信号ドライバ６１５の入力信号ＲＮＤ１〜ＲＮＤ４の値を元に、２電極型ＬＮ変調器６１１において光パルスの位相と強度を設定する。ここでは、例えばＲＮＤ１およびＲＮＤ２により、データおよび基底を設定することにより位相を設定し、ＲＮＤ３およびＲＮＤ４で強度を設定すればよい。
光伝送路６２を通過して量子暗号受信器６３に到達した時点で、光パルスは往路とは偏波状態が９０°回転されているため、偏波合成器６３１で往路とは異なった経路に各々のパルスを送り出す。
したがって、量子暗号受信器６３から送り出し時に光カプラ６３３で分岐された光は、どちらも量子暗号受信器６３→量子暗号送信器６１→量子暗号受信器６３の同じ長さの経路を通過し、再び光カプラ６３３で合波され干渉が生じる。干渉後の単一光子レベルの光パルスは文献１０に記載の平衡型ゲートモードの光子検出器６３６を用いて検出する。
本実施形態では文献６の方法を利用して、光信号の位相および強度を同時変調する手法を採用したが、図１０Ａ，１０Ｂのように、２電極型光強度変調器の機能は等価的に光位相変調部と光強度変調部を分離して表すことができる。強度変調によってパルス毎の平均光子数をμ：０.６[photon/pulse]、μ'：０.３[photon/pulse]、０[photon/pulse]の３通りに設定する。但し、μ＞μ’＞０とする。このために変調器駆動信号を３値信号とし、３値の設定割合を１：１：１からシフトさせる。
［第２の実施形態の動作］
次に、図１１を参照して、本発明の第２の実施形態にかかる量子通信システムの動作について説明する。
本実施形態では、図７の光変調器バイアス制御処理を少し変更した図１１のフローチャートを使用してバイアス制御を行うことができる。すなわち図７のＳ４０２、Ｓ４０６、Ｓ４０７、Ｓ４０１０、Ｓ４１１で行っていたバイアスシフトに代えて、バイアス制御回路６１４により、量子暗号受信器６３の計数回路６３７からの光子検出情報、すなわち単位時間当たりの光子検出数に基づいて、２電極型ＬＮ変調器６１１の駆動信号Ｖ１（Ｔ）、Ｖ２（Ｔ）の間のオフセットを変化させる（Ｓ８０２、Ｓ８０６、Ｓ８０７、Ｓ８１０、Ｓ８１１）。他のステップについては、図７と同様であり、ここでの説明は省略する。
また、第１の実施形態では、２値の駆動信号により変調度の異なる強度変調を不均一な頻度で施す場合について説明したが、本実施形態では、３値の駆動信号を用いる場合について説明する。なお、第１の実施形態において３値の駆動信号を用いてもよく、本実施形態において２値の駆動信号を用いてもよい。
変調器駆動信号の３値の設定割合Ｐμ：Ｐμ'：Ｐ0を１：１：１、４：１：１、１６：１：１と３通りにランダムに変化（シフト）させる。
図１２Ａ〜図１２Ｃにおいて、○印でプロットされた値は平均光子数μのパルスの単位時間あたりの計測数であり、△印でプロットされた値は平均光子数μ'の光パルスの単位時間あたりの計測数ある。また◇印でプロットされた値は平均光子数０の光パルスの単位時間当たりの計測数であり、―印でプロットされた値は全ての計測数の合計値である。図１０の動作点が理想状態であるため、平均光子数μの計測数が最大となるオフセット量が最適動作点である。
図１２Ａに示したＰμ：Ｐμ'：Ｐ0＝１：１：１の場合には、平均光子数μの計測数が最大となるオフセット量と計測数合計が最大となるオフセット量にΔＶのずれが存在する。これは、μ'の設定割合が十分大きいため、計測数合計の中でμ'が占める割合が無視できなくなるためである。
一方、図１２Ｂに示したＰμ：Ｐμ'：Ｐ0＝４：１：１の場合には、このずれが小さくなる。また、図１２Ｃに示したＰμ：Ｐμ'：Ｐ0＝１６：１：１の場合には、このずれがさらに小さくなり、ΔＶはほぼゼロになることが確認できる。つまり、バイアス制御回路６１４において、変調器駆動信号の設定割合を偏らせた状態で光子検出数の合計が最大となるように、図１１の光変調器バイアス制御処理にしたがってオフセット量を変化させることによって、２電極型ＬＮ変調器６１１のバイアス制御を行うことができる。
［第２の実施形態の効果］
従来の往復型の量子暗号鍵配付システムでは、単純なモニタＰＤで出力光の情報を得ることができない。特に、文献８のようなプローブ光を使用すると、プローブ光と信号光の波長が同一波長でも別波長でもRayleigh散乱やRaman散乱などの雑音光に単一光子レベルの信号光が埋もれてしまう。また、量子暗号送信器において十分な光強度で変調信号をモニタした後に信号光を単一光子レベルに抑圧する、という手段も以下の理由により適用できない。この理由を以下に示す。
往復型量子暗号鍵配付システムでは、往路の光パルスの後方散乱光がノイズとなって光子検出器で観測される。後方散乱光の中でも波長変化を伴わないRayleigh散乱は波長フィルタで信号光と分離することが不可能であるため、最も暗号鍵生成性能に影響する。Rayleigh散乱光強度は送信光強度、つまり量子暗号受信器出力時の光パルス強度で決定されるため、量子暗号送信器内部の光学損失によっては、量子暗号送信器で折り返された正規の信号光は後方散乱ノイズ光に埋もれてしまう。具体的な数値としては、例えばファイバへの入力光強度をＰｉｎ、Rayleigh後方散乱係数をＣｓ、伝送損失をαとした場合、Rayleigh後方散乱光強度Ｐは以下の数式で記述できる。
Figure 0005660169
一般的なシングルモード光ファイバ（SMF：Single Mode Fiber）に対するRayleigh後方散乱係数Ｃｓは、波長１５５０[nm]で約−７０[dB/m]である。したがって、長さ４０[km]のシングルモード光ファイバでは、送信光強度に対して−３０.７５[dB]の後方散乱光が観測される。一方、４０km往復分の伝送路損失−２０[db]（＝−０.２５[dB/km]×４０[km]×２）および量子暗号送信器の光学損失約１０[dB]を考えると量子暗号受信器に戻ってくる主信号の光強度は送信光強度−３０[dB]となる。つまり、本例では信号光と同等の強度のノイズ光が観測される計算となる。勿論、後方散乱光は連続光、正規の光信号はパルス光であるため、光子検出時には計算通りのＳＮ比とはならないものの、量子暗号送信器の光学損失は可能な限り小さくする必要があることが分かる。以上の結果、変調器のバイアス変動のためには単一光子レベルの光強度をモニタせざるを得ない。
これに対して、本実施形態では、第１の実施形態と同様に、位相変調および強度変調を行った光信号から検出した光子検出数に基づいて光強度変調時の動作点を制御するようにしたので、単一光子レベルの光強度を利用する量子通信であっても、変調後の光信号状態を光子検出数として検出でき、この光子検出数に基づいて光強度変調時の動作点を制御することが可能となる。
したがって、微小強度の光信号を媒体として所望のデータを送受信する量子通信システムであっても、その光信号を光変調する際の動作点を適切に制御でき、長時間安定して光変調動作を維持することができる。
また、本実施形態では、変調器駆動信号のマーク率を５０％からシフトさせることによって、光子検出総数の情報のみによって変調器のバイアス変動を精度良く監視することを可能としている。通常の光通信において送信信号のマーク率を５０％からシフトさせると、送信できる情報量が減少するというデメリットを有するが、Decoy stateを利用した量子暗号鍵配付ではこのマーク率の偏りを有効利用できる。この際、マーク率を５０％からシフトさせる代わりに、多値レベルの比を代えても同じことが云える。
一方、変調器駆動信号の各レベルの設定割合を偏らせない状態でも、図１３〜図１５に示した光変調器バイアス制御処理に沿って変調器のバイアス制御を行うこともできる。
図１３では、平均光子数μのパルスの単位時間当たりの計測数を最大とするようにオフセット量を変化させ、図１４では平均光子数０のパルスの単位時間当たりの計測数を最小とするようにオフセット量を変化させている。
また、図１５では平均光子数μと０のパルスの単位時間当たりの計測数の比を最大とするようにオフセット量を変化させる。これらは、図１０に示すように、最適動作条件では、平均光子数μの光強度が最大に、平均光子数０の光強度が最小になることを利用した制御フローである。なお、図１１と比較して図１３〜図１５に示したフローチャートでは、光子検出器での計測数を設定平均光子毎に管理する必要が生じる。このためにＳ８０１，Ｓ１００１，Ｓ１１０１，Ｓ１２０１）における通信量が増加するとともに、Ｓ１００１’，Ｓ１１０１’，Ｓ１２０１’のステップがそれぞれ追加され処理が複雑化する、というデメリットを有している。
本実施形態では、２電極型ＬＮ変調器６１１のバイアスドリフトを補償する方法を例として説明したが、これに限定されるものではなく、例えば光減衰器６１３にＬＮ強度変調器を使用して、光子検出器６３６における光子検出情報を元に光減衰器（ＬＮ強度変調器）６１３のバイアスドリフトを補償することもできる。この場合、図１１のフローチャートに示したような計測数最大制御ではなく、２電極型ＬＮ変調器６１１に施すバイアス電圧を制御して光子検出器６３６における計測数を最大とした状態で、計測数を一定に保持するように光減衰器（ＬＮ強度変調器）６１３のバイアスを制御すればよい。
［実施形態の拡張］
以上の各実施形態では、バイアス制御回路１１０８では、光子検出情報に基づいて光変調器のバイアス電圧を制御することにより、ＬＮ強度変調器１１０５の動作点を制御する場合について説明したが、ＬＮ強度変調器１１０５の動作点制御については、バイアス電圧調整以外の方法を用いてもよい。例えば、ＬＮ強度変調器１１０５として、入力された光信号を２つの光導波路に分岐した後に合波して出力するマッハツェンダー型光変調器を用いるとともに、これら両方の光導波路を任意の温度差に維持する温度調整部を設け、バイアス制御回路１１０８により、光子検出情報に基づいて温度調整部で維持される温度差を制御するようにしてもよい。
本発明の各実施形態は、量子通信システムにおいて、量子暗号鍵配付技術に代表される、単一光子検出によって乱数を生成する技術に利用可能である。量子暗号鍵配付プロトコルについてもＢＢ８４に限定されるものではなく、Ｅ９１やＢ９２などのプロトコル、さらには差動位相シフトに情報をコーディングする技術など、光子の量子状態に情報を載せて暗号鍵配付を行う技術に、パルス毎の光強度を変化させるDecoy Stateを導入する際に、本発明の各実施形態を適用可能である。また、量子暗号鍵配付システムについては、単一方向型・往復型を問わず、いずれにも適用可能である。
１１…量子暗号送信器、１１０１…光子源、１１０２…非対称マッハツェンダー干渉計、１１０３，１１０４…位相変調器、１１０５…ＬＮ強度変調器、１１０６，１１０７，１１０９…変調器ドライバ、１１０８…バイアス制御回路、１１１０〜１１１２…乱数源、１１１３…鍵蒸留回路、１２…光伝送路、１３…量子暗号受信器、１３１…位相変調器、１３２…非対称マッハツェンダー干渉計、１３３…光子検出器、１３４…変調器ドライバ、１３５…計数回路、１３６…乱数源、１３７…鍵蒸留回路、２０１〜２０３…物理乱数源、２０４，２０５，２０９，２１０…セレクタ、２０６，２０７…ＡＮＤゲート、２０８…ＮＯＲゲート、２１１…制御レジスタ、２１２…ＤＦＦ、５１…量子暗号送信器、５１０１…分光器、５１０２…光子検出器、５１０３…計数回路、５２…光伝送路、５３…量子暗号受信器、６１…量子暗号送信器、６１１…２電極型ＬＮ変調器、６１２…偏波合分波器、６１３…光減衰器（ＬＮ強度変調器）、６１４…バイアス制御回路、６１５…ＡＭ／ＰＭ駆動信号ドライバ、６２…光伝送路、６３…量子暗号受信器、６３１…偏波合成器、６３２…位相変調器、６３３…光カプラ、６３４…サーキュレータ、６３５…レーザーダイオード、６３６…光子検出器、６３７…計数回路、１３０１…量子暗号送信器、１３０２…光伝送路、１３０３…量子暗号受信器、１３１１…ファラデーミラー、１３１２…位相変調器、１３１３…遅延線、１３１４…可変光減衰器、１３３１…偏波合分波器、１３３２…位相変調器、１３３３…光カプラ、１３３４…光サーキュレータ、１３３５…レーザーダイオード、１３３６…光子検出器。

Claims (26)

  1. 入力された微小強度の光信号を強度変調して出力する光変調器と、
    前記光変調器の強度変調を制御する駆動信号を生成して前記光変調器へ出力する駆動信号生成回路と、
    前記光変調器で強度変調した光信号から検出した光子数に関する光子検出情報に基づいて前記駆動信号の動作点を制御する光変調制御回路とを備え、
    前記駆動信号生成回路は、複数の異なる振幅値をとるとともに、これら振幅値の出現頻度に偏りを有する電気信号を前記駆動信号として生成し、
    前記光変調制御回路は、前記光子検出情報が示す前記光子数が単位時間当たりで第１の参照値より増えた場合は、直前の制御方向と同じ方向に前記駆動信号のバイアス電圧を一定量だけ変化させ、前記光子数が単位時間当たりで第２の参照値より減った場合は、直前の制御方向とは逆方向に前記駆動信号のバイアス電圧を前記一定量だけ変化させる
    ことを特徴とする光送信器。
  2. 請求項１に記載の光送信器において、
    前記駆動信号生成回路は、マーク率に偏りを有する２値の電気信号を前記駆動信号として生成することを特徴とする光送信器。
  3. 請求項１に記載の光送信器において、
    前記光変調器は、入力された光信号の各光パルスに対して、前記駆動信号に基づき変調度の異なる強度変調を不均一な頻度で施すことを特徴とする光送信器。
  4. 請求項１に記載の光送信器において、
    前記光変調器は、入力された光信号を２つの光導波路に分岐した後に合波して出力するマッハツェンダー型光変調器からなり、
    前記光変調制御回路は、前記光子検出情報に基づいて前記光変調器のバイアス電圧を制御することを特徴とする光送信器。
  5. 請求項１に記載の光送信器において、
    前記光変調器は、入力された光信号を２つの光導波路に分岐した後に合波して出力するマッハツェンダー型光変調器からなり、
    前記両光導波路を任意の温度差に維持する温度調整部をさらに備え、
    前記光変調制御回路は、前記光子検出情報に基づいて前記温度調整部で維持される温度差を制御することを特徴とする光送信器。
  6. 請求項１に記載の光送信器において、
    前記光変調制御回路は、光伝送路を介して光受信器で受信した前記強度変調後の光信号から検出した光子数に関する光子検出情報を取得することを特徴とする光送信器。
  7. 請求項１に記載の光送信器において、
    前記光変調器から出力された強度変調後の光信号を分岐する分光器と、
    この分光器で得られた光信号から光子数を計数し、その計数結果を前記光子検出情報として出力する計数回路と
    をさらに備えることを特徴とする光送信器。
  8. 請求項１に記載の光送信器において、
    前記光子検出情報は、前記強度変調後の光信号の各光パルスから検出した単位時間当たりの光子検出数からなることを特徴とする光送信器。
  9. 請求項１に記載の光送信器において、
    前記光子検出情報は、複数の異なる変調度のいずれかで前記光変調器により強度変調して得られた光パルスのうち、いずれかの変調度の光パルスから検出した単位時間当たりの光子検出数からなることを特徴とする光送信器。
  10. 請求項１に記載の光送信器において、
    前記光子検出情報は、複数の異なる変調度のいずれかで前記光変調器により強度変調して得られた光パルスのうち、いずれか２つの変調度の光パルスからそれぞれ検出した単位時間当たりの光子検出数の比からなることを特徴とする光送信器。
  11. 請求項１に記載の光送信器において、
    前記光子検出情報は、光伝送路を介して受信した前記強度変調後の光信号から検出した光子数に関する光子検出情報からなることを特徴とする光送信器。
  12. 請求項１に記載の光送信器において、
    前記光子検出情報は、前記強度変調後の光信号を分岐して検出した光子数に関する光子検出情報からなることを特徴とする光送信器。
  13. 光変調器で強度変調した微小強度の光信号から検出した光子数に関する光子検出情報を取得する情報取得部と、
    この情報取得部で取得した光子検出情報に基づき前記光変調器の動作点を制御する動作点制御部とを備え、
    前記動作点制御部は、前記光変調器の強度変調を制御するための駆動信号を入力とし、前記光子検出情報に基づき前記駆動信号のバイアス電圧を制御して前記光変調器へ出力し、
    前記駆動信号は、出現頻度に偏りを有する複数の異なる振幅値をとる電気信号からなり、
    前記動作点制御部は、前記駆動信号のバイアス電圧を制御する際、前記光子検出情報が示す前記光子数が単位時間当たりで第１の参照値より増えた場合は、直前の制御方向と同じ方向に前記バイアス電圧を一定量だけ変化させ、前記光子数が単位時間当たりで第２の参照値より減った場合は、直前の制御方向とは逆方向に前記バイアス電圧を前記一定量だけ変化させる
    ことを特徴とする光変調制御回路。
  14. 請求項１３に記載の光変調制御回路において、
    前記駆動信号は、マーク率に偏りを有する２値の電気信号からなることを特徴とする光変調制御回路。
  15. 光変調器で強度変調した微小強度の光信号から検出した光子数に関する光子検出情報を取得する情報取得部と、
    この情報取得部で取得した光子検出情報に基づき前記光変調器の動作点を制御する動作点制御部とを備え、
    前記光子検出情報は、前記光変調器で強度変調した光信号の各光パルスから検出した単位時間当たりの光子検出数からなり、
    前記動作点制御部は、前記動作点を制御する際、前記光変調器の強度変調を制御するための駆動信号に関するバイアス電圧について、前記光子検出情報が示す前記光子数が単位時間当たりで第１の参照値より増えた場合は、直前の制御方向と同じ方向に前記バイアス電圧を一定量だけ変化させ、前記光子数が単位時間当たりで第２の参照値より減った場合は、直前の制御方向とは逆方向に前記バイアス電圧を前記一定量だけ変化させる
    ことを特徴とする光変調制御回路。
  16. 請求項１５に記載の光変調制御回路において、
    前記光子検出情報は、複数の異なる変調度のいずれかで前記光変調器により強度変調して得られた光パルスのうち、いずれかの変調度の光パルスから検出した単位時間当たりの光子検出数からなることを特徴とする光変調制御回路。
  17. 請求項１５に記載の光変調制御回路において、
    前記光子検出情報は、複数の異なる変調度のいずれかで前記光変調器により強度変調して得られた光パルスのうち、いずれか２つの変調度の光パルスからそれぞれ検出した単位時間当たりの光子検出数の比からなることを特徴とする光変調制御回路。
  18. 請求項１５に記載の光変調制御回路において、
    前記光子検出情報は、光伝送路を介して受信した前記強度変調後の光信号から検出した光子数に関する光子検出情報からなることを特徴とする光変調制御回路。
  19. 請求項１５に記載の光変調制御回路において、
    前記光子検出情報は、前記強度変調後の光信号を分岐して検出した光子数に関する光子検出情報からなることを特徴とする光変調制御回路。
  20. 光変調器で強度変調した微小強度の光信号から検出した光子数に関する光子検出情報に基づいて、前記光変調器の強度変調を制御するための駆動信号のバイアス電圧を制御して、その駆動信号を前記光変調器へ出力することにより、前記光変調器の動作点を制御し、
    前記駆動信号は、出現頻度に偏りを有する複数の異なる振幅値をとる電気信号からなり、
    前記駆動信号のバイアス電圧を制御する際、前記光子検出情報が示す前記光子数が単位時間当たりで第１の参照値より増えた場合は、直前の制御方向と同じ方向に前記バイアス電圧を一定量だけ変化させ、前記光子数が単位時間当たりで第２の参照値より減った場合は、直前の制御方向とは逆方向に前記バイアス電圧を前記一定量だけ変化させる
    ことを特徴とする光変調制御方法。
  21. 請求項２０に記載の光変調制御方法において、
    前記駆動信号は、マーク率に偏りを有する２値の電気信号からなることを特徴とする光変調制御方法。
  22. 光変調器で強度変調した微小強度の光信号から検出した光子数に関する光子検出情報に基づいて前記光変調器の動作点を制御し、
    前記光子検出情報は、前記光変調器で強度変調した光信号の各光パルスから検出した単位時間当たりの光子検出数からなり、
    前記動作点を制御する際、前記光変調器の強度変調を制御するための駆動信号に関するバイアス電圧について、前記光子検出情報が示す前記光子数が単位時間当たりで第１の参照値より増えた場合は、直前の制御方向と同じ方向に前記バイアス電圧を一定量だけ変化させ、前記光子数が単位時間当たりで第２の参照値より減った場合は、直前の制御方向とは逆方向に前記バイアス電圧を前記一定量だけ変化させる
    ことを特徴とする光変調制御方法。
  23. 請求項２２に記載の光変調制御方法において、
    前記光子検出情報は、複数の異なる変調度のいずれかで前記光変調器により強度変調して得られた光パルスのうち、いずれかの変調度の光パルスから検出した単位時間当たりの光子検出数からなることを特徴とする光変調制御方法。
  24. 請求項２２に記載の光変調制御方法において、
    前記光子検出情報は、複数の異なる変調度のいずれかで前記光変調器により強度変調して得られた光パルスのうち、いずれか２つの変調度の光パルスからそれぞれ検出した単位時間当たりの光子検出数の比からなることを特徴とする光変調制御方法。
  25. 請求項２２に記載の光変調制御方法において、
    前記光子検出情報は、光伝送路を介して受信した前記強度変調後の光信号から検出した光子数に関する光子検出情報からなることを特徴とする光変調制御方法。
  26. 請求項２２に記載の光変調制御方法において、
    前記光子検出情報は、前記強度変調後の光信号を分岐して検出した光子数に関する光子検出情報からなることを特徴とする光変調制御方法。
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