JPWO2006006232A1 - Quantum cryptographic key distribution system - Google Patents
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Abstract
量子暗号鍵配送システムにおいて、3者以上の複数ユーザが量子暗号鍵を容易かつ安全に共有し、また、複数のユーザ間でフォトン発生器の共有を可能とすること。フォトン発生手段(4)および変調手段(5)を具備する送信手段(1)と、送信手段(1)に接続された2経路以上の伝送路(3a,3b,3c)のそれぞれに接続される復調手段(7a,7b,7c)を具備する2以上の受信手段(2a,2b,2c)とを備え、各伝送路に送出されるパルスには2つ以上のフォトンが含まれることがないように制御され、送信手段と、少なくとも一つの受信手段との間で送信手段が選択した変調系情報が交換され、各受信手段が選択した復調系情報と、フォトン到着の有無情報とが各受信手段の間で交換され、受信手段の全てがフォトンを受信し、かつ、各受信手段が選択した復調系の全てと、送信手段の選択した変調系とが一致した場合に量子暗号鍵が共有される。In a quantum key distribution system, a plurality of users of three or more parties can easily and securely share a quantum encryption key, and a photon generator can be shared among a plurality of users. The transmission means (1) including the photon generation means (4) and the modulation means (5) is connected to each of two or more transmission paths (3a, 3b, 3c) connected to the transmission means (1). Two or more receiving means (2a, 2b, 2c) provided with demodulating means (7a, 7b, 7c), so that a pulse transmitted to each transmission path does not contain two or more photons. The modulation system information selected by the transmission means is exchanged between the transmission means and at least one reception means, and the demodulation system information selected by each reception means and the photon arrival / absence information are received by each reception means. The quantum cryptography key is shared when all of the receiving means receive photons and all of the demodulation systems selected by each receiving means match the modulation system selected by the transmitting means. .
Description
本発明は、量子暗号鍵配送システムに関するものであり、特に、3者以上のユーザ間で量子暗号鍵を共有するための量子暗号鍵配送システムに関するものである。 The present invention relates to a quantum key distribution system, and more particularly to a quantum key distribution system for sharing a quantum key among three or more users.
暗号鍵配送システムは送受信手段間でランダムなビット列(暗号鍵)を共有することを目的とするシステムである。近年、暗号鍵の中でも、攻撃者の計算能力によらず安全の保証された暗号鍵を配送することができる量子暗号鍵配送技術が注目されている。 The encryption key distribution system is a system whose purpose is to share a random bit string (encryption key) between transmission / reception means. 2. Description of the Related Art In recent years, quantum key distribution technology that can distribute an encryption key that is guaranteed to be secure, regardless of the computational capability of an attacker, has attracted attention.
量子暗号鍵配送にかかる従来技術としては、BB84方式として知られている単一光子光源を用いた量子暗号鍵配送技術が広く知られている(例えば、非特許文献1、2など)。これらの文献に開示されている量子暗号鍵配送技術は、量子信号ビットの不確定性(ランダム性)を利用して、盗聴者の盗聴を回避しつつ送信手段(送信者)と受信手段(受信者)との間で鍵を共有することができる。
As a conventional technique related to quantum key distribution, a quantum key distribution technique using a single photon light source known as a BB84 method is widely known (for example, Non-Patent
量子暗号鍵配送技術のベースとなる量子暗号通信では、通信手段としてフォトン(光子)が用いられ、不確定性原理等の量子効果が生じるように1個のフォトンで1ビットの情報を伝送する。このとき、盗聴者が、その偏光および位相等の量子状態を知らずに任意の基底を選んでフォトンを測定すると、その量子状態に変化が生じる。したがって、受信側では、このフォトンの量子状態の変化を確認することによって、伝送データが盗聴されたかどうかを認識することができる。すなわち、従来技術にかかる量子暗号鍵配送技術では量子暗号鍵の共有と盗聴者の検出が物理的に保証されるという特徴を有している。 In quantum cryptography communication, which is the basis of the quantum cryptography key distribution technology, photons (photons) are used as communication means, and 1-bit information is transmitted by one photon so that a quantum effect such as an uncertainty principle occurs. At this time, when the eavesdropper selects an arbitrary base without knowing the quantum state such as the polarization and phase, and measures photons, the quantum state changes. Therefore, the receiving side can recognize whether or not the transmission data has been wiretapped by confirming the change in the quantum state of the photon. That is, the quantum key distribution technology according to the prior art has a feature that the quantum key sharing and the eavesdropper detection are physically guaranteed.
しかしながら、上記の非特許文献1、2などに開示されたBB84方式では、送信者は1パルスあたり1フォトン以下の微小な光信号を精度よく送出する必要があるため、複雑で高価な光子発生器を持たなければならないという課題があった。
However, in the BB84 method disclosed in
また、BB84方式においては、システムを利用するユーザ個々がフォトン発生器を持たなければならないという課題があった。
さらに、BB84方式では2者間にて量子暗号鍵を共有する仕組みを提供するが、3者以上の多者間での暗号鍵共有が難しいという課題があった。Further, the BB84 system has a problem that each user who uses the system must have a photon generator.
Furthermore, although the BB84 system provides a mechanism for sharing a quantum encryption key between two parties, there is a problem that it is difficult to share an encryption key between three or more parties.
このような状況に鑑み、本発明は、3者以上の複数ユーザが量子暗号鍵を容易かつ安全に共有することを可能とし、複数のユーザあるいは複数システム間でフォトン発生器の共有を可能とする量子暗号鍵配送システムを提供することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention enables multiple users of three or more parties to share a quantum encryption key easily and securely, and allows sharing of a photon generator among multiple users or multiple systems. An object of the present invention is to provide a quantum key distribution system.
本発明にかかる量子暗号鍵配送システムにあっては、量子暗号鍵を共有するための量子暗号鍵配送システムにおいて、フォトン発生手段と、選択可能な2系以上の変調系を有する変調手段と、を具備する送信手段と、前記送信手段に接続された2経路以上の伝送路と、前記2経路以上の伝送路のそれぞれに接続され、選択可能な2系以上の復調系を有する復調手段を具備する2以上の受信手段と、を備え、前記各伝送路に送出されるパルスには2つ以上のフォトンが含まれることがないように制御され、前記送信手段と前記2以上の受信手段のうちの少なくとも一つの受信手段との間で該送信手段が選択した変調系情報が交換され、前記2以上の受信手段のそれぞれが選択した復調系情報と、フォトン到着の有無情報とが該受信手段のそれぞれの間で交換され、前記2以上の受信手段の全てがフォトンを受信し、かつ、該2以上の受信手段のそれぞれが選択した復調系の全てと、前記送信手段の選択した変調系とが一致した場合に前記量子暗号鍵を共有することを特徴とする。 In the quantum key distribution system according to the present invention, in the quantum key distribution system for sharing the quantum key, the photon generating means and the modulation means having two or more selectable modulation systems are provided. A transmission means, two or more transmission paths connected to the transmission means, and a demodulation means connected to each of the two or more transmission paths and having two or more selectable demodulation systems Two or more receiving means, and are controlled so that two or more photons are not included in the pulse transmitted to each transmission line, and the transmission means and the two or more receiving means The modulation system information selected by the transmission unit is exchanged with at least one reception unit, and the demodulation system information selected by each of the two or more reception units and the photon arrival / absence information are those of the reception unit. The All of the two or more receiving means receive photons, and all of the demodulation systems selected by each of the two or more receiving means match the modulation system selected by the transmitting means. In this case, the quantum encryption key is shared.
本発明によれば、各伝送路に送出されるパルスには2つ以上のフォトンが含まれることがないように制御され、送信手段と2以上の受信手段のうちの少なくとも一つの受信手段との間で送信手段が選択した変調系情報が交換され、2以上の受信手段のそれぞれが選択した復調系情報と、フォトン到着の有無情報とが受信手段のそれぞれの間で交換され、2以上の受信手段の全てがフォトンを受信し、かつ、2以上の受信手段のそれぞれが選択した復調系の全てと、送信手段の選択した変調系とが一致した場合に2以上の受信手段の間で量子暗号鍵が共有される。 According to the present invention, the pulse transmitted to each transmission path is controlled so as not to include two or more photons, and the transmission means and at least one receiving means of the two or more receiving means The modulation system information selected by the transmission means is exchanged, and the demodulation system information selected by each of the two or more reception means and the photon arrival / absence information are exchanged between the reception means, and two or more receptions are received. Quantum cryptography between two or more receiving means when all of the means receive photons and all of the demodulation systems selected by each of the two or more receiving means match the modulation system selected by the transmitting means The key is shared.
本発明にかかる量子暗号鍵配送システムによれば、2以上の受信手段の全てがフォトンを受信し、かつ、2以上の受信手段のそれぞれが選択した復調系の全てと、送信手段の選択した変調系とが一致した場合に量子暗号鍵を共有するようにしているので、送信者を含む3者以上の複数ユーザが量子暗号鍵を容易かつ安全に共有することができるという効果を奏する。 According to the quantum key distribution system of the present invention, all of the two or more receiving means receive the photons, and all of the demodulation systems selected by each of the two or more receiving means and the modulation selected by the transmitting means Since the quantum encryption key is shared when the system matches, there is an effect that a plurality of users including the sender can easily and safely share the quantum encryption key.
1 送信手段
2,2a,2b,2c,2d,2e 受信手段
3a,3b,3c 伝送路
4 フォトン発生器
5 変調手段
6a,6b 信号処理手段
7 復調手段
8 受光手段
9 情報交換手段
10 誤り率検出手段
11,11a,11b 分波手段
12a,12b,12c 可変減衰器
13a,13b 位相変調器
14a,14b 合波手段DESCRIPTION OF
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる量子暗号鍵配送システムの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。 Exemplary embodiments of a quantum key distribution system according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment.
実施の形態1.
まず、本発明の実施の形態1にかかる量子暗号鍵配送システムについて説明する。図1は、本発明の実施の形態1にかかる量子暗号鍵配送システムの構成を示す概念図である。この実施の形態の量子暗号鍵配送システムは、送信側で使用される送信手段1と、送信手段1に接続された3つの伝送路3a、3b、3cと、受信側の伝送路それぞれに接続された受信手段2a、2b、2cと、を備えるように構成される。送信手段1はフォトン発生器4、変調手段5、分波手段11を有し、それぞれの受信手段は復調手段7、受光手段8を具備する。ここで、変調手段5、復調手段7としては位相変調器、偏波変調器などを用いることができる。フォトン発生器4としては、例えば、レーザダイオードなどの光源を用いるのが一般的である。伝送波長は伝送路3に適した波長であれば、いかなる波長であっても構わない。分波手段11としては、例えば、光カプラなどを用いることができる。伝送路3a、3b、3cとしては、シングルモード光ファイバ、分散シフト光ファイバなどの各種光信号用伝送路を用いることができる。また、伝送路は必ずしも有線である必要はなく、空間伝送など無線伝送路でも構わない。
First, the quantum key distribution system according to the first exemplary embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of the quantum key distribution system according to the first exemplary embodiment of the present invention. The quantum cryptography key distribution system of this embodiment is connected to a transmission means 1 used on the transmission side, three
つぎに、上記に示した本発明にかかる量子暗号鍵配送システムの理解を容易にするため、BB84方式を用いた従来技術にかかる量子暗号鍵配送システムを例にとり、その動作について説明する。 Next, in order to facilitate understanding of the quantum key distribution system according to the present invention described above, the operation will be described by taking a quantum key distribution system according to the prior art using the BB84 method as an example.
図6は、BB84方式を用いた従来技術にかかる量子暗号鍵配送システムの構成例を示す概念図である。同図において、送信手段1は、フォトン発生器4、変調手段5、信号処理手段6aを備える。ここでは、変調手段5として位相変調器を用いるものとして説明する。送信手段1では、[0,π]系もしくは[π/2,3π/2]系のいずれかの位相変調系が1パルスごとに選択され、“0”または“1”の信号が伝送路3に送信される。信号伝送に際し、2つの変調系が用いられ、1パルスあたり1フォトンしか使わないことが特徴である。一方、受信手段2は、復調手段7、受光手段8、信号処理手段6bを備える。受信手段2では、任意の復調系を用いて受信パルスが観測され、“0”、“1”、“フォトン無し”、のいずれであるかが判定される。また、送信手段1および受信手段2では、選択された変復調系情報と、パルスの到着の有無情報とが、盗聴されてもよい公衆回線などの情報交換手段9にて交換される。損失がある伝送路では、多くのパルスが“フォトン無し”という結果となる。受信手段2でフォトンが受信され、かつ、送受信間で系が一致した場合にのみ両者間でビット列が共有される。共有されたビット列は誤り率検出手段10にて、誤り検出、誤り訂正された後に、量子暗号鍵として使用される。
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a configuration example of a quantum key distribution system according to the prior art using the BB84 method. In the figure, the transmission means 1 includes a
また、図7は、図6に示した量子暗号鍵配送システムの変調手段5および復調手段7のそれぞれに位相変調器を用いた場合の構成例を示す図である。同図において、変調手段5は、分波手段11a、位相変調器13a、合波手段14aから構成され、復調手段7は、分波手段11b、位相変調器13b、合波手段14bから構成される。いま、送信手段1が[0,π]系(“π”測定系)を選択する場合には、信号“0”に対して位相変調器13aは位相変調量“0”を発生し、信号“1”に対しては位相変調量“π”を発生する。送信手段1が[π/2,3π/2]系(“π/2”測定系)を選択する場合には、信号“0”に対して位相変調器13aは位相変調量“π/2”を発生し、信号“1”に対しては位相変調量“3π/2”を発生する。一方、受信手段2が復調器として[0,π]系(“π”測定系)を選択する場合には、位相変調器13bは位相変調量“0”を発生し、[π/2,3π/2]系(“π/2”測定系)を選択する場合には位相変調器13bは位相変調量“π/2”を発生する。送信手段1および受信手段2が、同一の変調・復調系を選択した場合にのみ、受光手段8は正しい信号を検出することができる。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration example when a phase modulator is used for each of the modulation means 5 and the demodulation means 7 of the quantum key distribution system shown in FIG. In the figure, the modulation means 5 is constituted by a demultiplexing means 11a, a
上述の処理のように、1パルスあたり1フォトンしか使用されないので、通信路に送出された信号を盗聴するためには、盗聴者は一度フォトンを抜き出して観測した後、そのフォトンを再び通信路に戻さなければならない。しかし、量子力学の不確定性原理により、フォトンの量子状態に擾乱を与えずに観測を行うことはできないため、上述のプロトコルでは盗聴者が存在すると受信側において1/4の確率で誤りが生じることになる。例えば、送信手段1から[0,π]系の信号“0”が送信された場合、盗聴者が誤った[π/2,3π/2]系を選択する確率が1/2であり、そのとき受信手段2が観測する偏光方向は[π/2,3π/2]に変化する。一方、受信手段2において、この偏光方向の信号が送信手段1において使用された測定系と同一の測定系である[0,π]系で観測された場合、信号“0”と信号“1”とが等確率で観測されるので、送信手段1が送信した信号“0”を受信手段2が信号“1”として観測する確率は1/4となる。 Since only one photon per pulse is used as in the above-described process, in order to eavesdrop on the signal sent to the communication path, the eavesdropper once extracts and observes the photon, and then returns the photon to the communication path again. I have to bring it back. However, due to the uncertainty principle of quantum mechanics, it is impossible to observe without disturbing the quantum state of photons, so in the above protocol, if there is an eavesdropper, an error occurs with a probability of 1/4 on the receiving side. It will be. For example, when a [0, π] system signal “0” is transmitted from the transmission means 1, the probability that an eavesdropper selects the wrong [π / 2, 3π / 2] system is ½, Sometimes the polarization direction observed by the receiving means 2 changes to [π / 2, 3π / 2]. On the other hand, when the signal in the polarization direction is observed in the [0, π] system, which is the same measurement system used in the transmission means 1, in the receiving means 2, the signal “0” and the signal “1” are displayed. Are observed with equal probability, the probability that the reception means 2 observes the signal “0” transmitted by the transmission means 1 as the signal “1” is ¼.
チェックビット数mを十分に大きくすれば、大数の法則によって誤り率は必ず25%に近づくため、盗聴を検出できない確率は、無視できる程度に十分小さくできる。また、選択可能な変・復調系の数を3以上にすれば盗聴防止に要するチェックビット数mを低減することができる。このように、送信側−受信側間で誤り検出を行うことにより、盗聴者の存在は必ず検知することができる。なお、このBB84方式は、量子暗号鍵の共有と盗聴者の検出が量子力学の原理である量子力学的相補性によって物理的に保証されていることに大きな意味がある。 If the number of check bits m is made sufficiently large, the error rate will surely approach 25% according to the law of large numbers, so the probability that wiretapping cannot be detected can be made small enough to be ignored. If the number of modulation / demodulation systems that can be selected is 3 or more, the number of check bits m required to prevent eavesdropping can be reduced. Thus, the presence of an eavesdropper can always be detected by performing error detection between the transmission side and the reception side. Note that the BB84 system has a significant meaning that the sharing of the quantum cryptography key and the detection of an eavesdropper are physically guaranteed by quantum mechanical complementarity, which is the principle of quantum mechanics.
つぎに、図1に戻り、この実施の形態の量子暗号鍵配送システムの動作に関し、変調手段5に位相変調器を用いた場合について説明する。送信手段1では、[0,π]系もしくは[π/2,3π/2]系のいずれかの位相変調系が1パルスごとに選択された同一信号が3つの伝送路3a、3b、3cに略同時に送信される。ここで重要なことは、いずれの伝送路においても、1パルスあたりのフォトン数は1以下となるように制御されることである。受信手段2a、2b、2cでは、それぞれが独立に任意の復調系にて受信パルスが観測され、“0”、“1”、“フォトン無し”、のいずれであるかが判定される。受信手段2a、2b、2cは、選択した復調系情報とパルスの到着の有無情報とが相互に交換される。また、これらの情報は、各受信手段が測定した測定結果情報ではなく、たとえ盗聴されたとしても量子暗号鍵共有の安全性を損なうことがないため、公衆回線を用いて送受することができる。
Next, returning to FIG. 1, the operation of the quantum key distribution system according to this embodiment will be described in the case where a phase modulator is used as the modulation means 5. In the transmission means 1, the same signal in which either the [0, π] system or the [π / 2, 3π / 2] system phase modulation system is selected for each pulse is transmitted to the three
受信手段2a、2b、2cの全てがフォトンを受信し、かつ、3者が選択した受信系が全て送信手段の変調系に一致した場合にのみ3者間でビット列が共有される。受信手段の共有されたビット列は必要に応じて誤り検出、誤り訂正された後に、3者間の量子暗号鍵として使用される。量子暗号鍵を共有する3者がフォトン発生器を持つ必要がないことが特徴である。 Only when all of the receiving means 2a, 2b and 2c receive photons, and all the receiving systems selected by the three parties match the modulation system of the transmitting means, the bit string is shared among the three parties. The bit string shared by the receiving means is used as a quantum encryption key between the three parties after error detection and error correction are performed as necessary. The feature is that the three parties sharing the quantum encryption key do not need to have a photon generator.
このとき、送信手段1は必ずしも受信手段2a、2b、2cが選択した復調系を知る必要はない。また、送信手段1は必ずしも受信手段2a、2b、2c全員と選択した変復調系情報を交換する必要はない。すなわち、受信手段2a、2b、2cのいずれかが、送信手段1の変調系情報を知ればよい。また、送信手段1は受信手段2a、2b、2cで共有された量子暗号鍵を知る必要はない。
At this time, the
なお、図1では、受信手段数が3である例を示したが、受信手段数は2であってもよく、また、4以上であっても構わない。 Although FIG. 1 shows an example in which the number of reception means is three, the number of reception means may be two or four or more.
また、全ての受信手段がフォトンを受信し、かつ、全ての受信手段が同一の復調系を採用した場合にのみ、受信手段間でビット情報が共有されるため、受信手段数が増加すると、量子暗号鍵の共有速度は低下する。しかしながら、量子暗号鍵の共有速度は、情報の伝送速度とは無関係であり、多くの場合、量子暗号鍵の共有速度は一定以上であればあまり重要ではない。 Also, only when all receiving means receive photons and all the receiving means adopt the same demodulation system, bit information is shared among the receiving means. The encryption key sharing speed decreases. However, the quantum cryptography key sharing speed is irrelevant to the information transmission speed, and in many cases, the quantum cryptography key sharing speed is not so important as long as the quantum cryptography key sharing speed is a certain level or higher.
以上説明したように、この実施の形態の量子暗号鍵配送システムによれば、各伝送路に送出されるパルスには2つ以上のフォトンが含まれることがないように制御され、送信手段と2以上の受信手段のうちの少なくとも一つの受信手段との間で送信手段が選択した変調系情報が交換され、2以上の受信手段のそれぞれが選択した復調系情報と、フォトン到着の有無情報とが受信手段のそれぞれの間で交換され、2以上の受信手段の全てがフォトンを受信し、かつ、2以上の受信手段のそれぞれが選択した復調系の全てと、送信手段の選択した変調系とが一致した場合に量子暗号鍵を共有するようにしているので、送信者を含む3者以上の複数ユーザが量子暗号鍵を容易かつ安全に共有することができる。 As described above, according to the quantum cryptography key distribution system of this embodiment, the pulse transmitted to each transmission path is controlled so as not to include two or more photons. The modulation system information selected by the transmission unit is exchanged with at least one of the above reception units, and the demodulation system information selected by each of the two or more reception units and the photon arrival / absence information are obtained. Exchanged between each of the reception means, all of the two or more reception means receive photons, and all of the demodulation systems selected by each of the two or more reception means and the modulation system selected by the transmission means are Since the quantum encryption key is shared when they match, a plurality of users including the sender can share the quantum encryption key easily and securely.
実施の形態2.
図2は、本発明の実施の形態2にかかる量子暗号鍵配送システムの構成を示す概念図である。同図に示す量子暗号鍵配送システムの図1との相違は、分波手段11の3つの各出力に可変減衰器12a、12b、12cを備えた点にある。なお、その他の構成については実施の形態1の構成と同一、あるいは同等であり、これらの部分については同一符号を付して示している。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a configuration of the quantum key distribution system according to the second exemplary embodiment of the present invention. The difference between the quantum cryptographic key distribution system shown in FIG. 1 and FIG. 1 is that
上述のように、量子暗号鍵配送システムでは、1パルスあたりのフォトン数が1以下となるように制御することが重要である。そこで、図2に示す量子暗号鍵配送システムでは、伝送路3a、3b、3cにそれぞれ送出される光信号が1パルスあたり1フォトンを超えないように、可変減衰器を12a、12b、12cをそれぞれ用いて制御している。また、受信手段2a、2b、2cで測定された結果と送信側の送信結果とが不一致となる要因として伝送路上のノイズが影響するので、伝送路3a、3b、3cのそれぞれに可変減衰器を12a、12b、12cを挿入し、各伝送路の伝送路特性に応じた減衰量の制御を可能とする構成としている。なお、可変減衰器12a、12b、12cの制御には、例えば、光強度などをモニタしたフィードバック回路を用いるように構成すればよい。
As described above, in the quantum key distribution system, it is important to control the number of photons per pulse to be 1 or less. Therefore, in the quantum key distribution system shown in FIG. 2, the variable attenuators are set to 12a, 12b, and 12c so that the optical signals transmitted to the
以上説明したように、この実施の形態の量子暗号鍵配送システムによれば、送信手段に接続される2経路以上の伝送路に可変減衰器をさらに備えるように構成しているので、各伝送路にそれぞれ送出される光信号の1パルスあたりのフォトン数が1を超えないように制御することができ、量子暗号鍵の共有を確実かつ安定的に行うことができる。 As described above, according to the quantum key distribution system of this embodiment, since the variable attenuator is further provided in two or more transmission paths connected to the transmission means, each transmission path It is possible to control the number of photons per pulse of the optical signal transmitted to each so as not to exceed 1, so that the quantum encryption key can be shared reliably and stably.
実施の形態3.
図3は、本発明の実施の形態3にかかる量子暗号鍵配送システムの構成を示す概念図である。同図に示す量子暗号鍵配送システムの図1との相違は、送信手段1と受信手段2とが、それぞれの信号処理手段6a、6bを備え、送信手段1および受信手段2の一部(図3の例では受信手段2c)がその機能を共有する誤り率検出手段10を備えた点にある。なお、その他の構成については実施の形態1の構成と同一、あるいは同等であり、これらの部分については同一符号を付して示している。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a configuration of a quantum key distribution system according to the third exemplary embodiment of the present invention. 1 differs from the quantum key distribution system shown in FIG. 1 in that the
図3に示す量子暗号鍵配送システムでは、誤り率検出手段10によって送受信間の誤りが検出される。送信手段と受信手段間で誤りを検出することにより、BB84方式などの従来技術と同一原理により盗聴者の存在を確実に検出しつつ、量子暗号鍵の共有が可能となる。ただし、従来技術との大きな相違点は、誤り検出を送信手段と受信手段の一部とのみで行えばよいことにある。送信手段が全ての受信手段が選択した復調系を知る必要はないため、送信手段は受信手段が共有した量子暗号鍵を知らなくてもよい。 In the quantum key distribution system shown in FIG. 3, an error between transmission and reception is detected by the error rate detection means 10. By detecting an error between the transmission unit and the reception unit, it is possible to share the quantum encryption key while reliably detecting the presence of an eavesdropper based on the same principle as the conventional technology such as the BB84 method. However, the major difference from the prior art is that error detection only needs to be performed by the transmission means and a part of the reception means. Since it is not necessary for the transmitting means to know the demodulation system selected by all the receiving means, the transmitting means need not know the quantum encryption key shared by the receiving means.
なお、全ての受信手段が送信手段との間で誤り検出を行うこともできるが、全ての受信手段が送信手段との間で誤り検出を行うことは必須ではない。また、受信手段同士が誤り検出を行うことを妨げるものでもない。 It should be noted that although all receiving means can perform error detection with the transmitting means, it is not essential that all receiving means perform error detection with the transmitting means. Further, it does not prevent the receiving means from performing error detection.
以上説明したように、この実施の形態の量子暗号鍵配送システムによれば、2以上の受信手段の全てがフォトンを受信し、かつ、2以上の受信手段のそれぞれが選択した復調系の全てと、送信手段の選択した変調系とが一致した場合にのみ、送信手段と、2以上の受信者との間で共有したビット列の誤り率を検出するようにしているので、盗聴者の存在を確実に検出しつつ、量子暗号鍵の共有が可能となる。 As described above, according to the quantum key distribution system of this embodiment, all of the two or more receiving units receive photons, and each of the two or more receiving units selects all of the demodulation systems selected. Since the error rate of the bit string shared between the transmission means and two or more recipients is detected only when the modulation system selected by the transmission means matches, the presence of an eavesdropper is assured. It is possible to share the quantum cryptography key while detecting it.
実施の形態4.
図4は、本発明の実施の形態4にかかる量子暗号鍵配送システムの構成を示す概念図である。同図に示す量子暗号鍵配送システムの図3との相違は、受信手段2a、2b、2cがそれぞれの信号処理手段6b−1、6b−2、6b−3を備え、受信手段2a、2b、2cのみ(送信手段は利用しない)がその機能を共有する誤り率検出手段10を備えた点にある。なお、その他の構成については実施の形態3の構成と同一、あるいは同等であり、これらの部分については同一符号を付して示している。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing the configuration of the quantum key distribution system according to the fourth embodiment of the present invention. The difference between the quantum key distribution system shown in FIG. 3 and FIG. 3 is that the receiving means 2a, 2b, 2c are provided with respective signal processing means 6b-1, 6b-2, 6b-3, and the receiving means 2a, 2b, Only 2c (not using transmission means) is provided with an error rate detection means 10 that shares its function. In addition, about another structure, it is the same as that of
図4に示す量子暗号鍵配送システムでは、送信手段1は送信変調系情報の送信を行い、受信手段からの復調系の情報・光子受信などの一切の情報を受け取らない。また、受信手段間で誤りを検出することにより、BB84方式などの従来技術と同一原理により盗聴者の存在を確実に検出しつつ、3以上の受信手段を利用する受信者との間で量子暗号鍵の共有が可能となる。ただし、従来技術と大きき異なり、送信手段が受信手段の復調系を知る必要がなく、誤り検出を受信手段間のみで行えばよい。また、送信手段は、受信手段が共有した量子暗号鍵を知らなくてもよい。このような特徴から、送信手段を利用する送信者が絶対的に信頼できる対象でなくともよい。このような特徴を利用すれば、例えば、第3者が提供した量子通信路を利用して任意の受信者のみで量子暗号鍵の共有が可能となる。 In the quantum key distribution system shown in FIG. 4, the transmission means 1 transmits transmission modulation system information and does not receive any information such as demodulation information and photon reception from the reception means. In addition, by detecting an error between receiving means, it is possible to reliably detect the presence of an eavesdropper based on the same principle as that of the prior art such as the BB84 method, and to perform quantum cryptography with a receiver using three or more receiving means. Key sharing is possible. However, unlike the prior art, it is not necessary for the transmitting means to know the demodulation system of the receiving means, and error detection only needs to be performed between the receiving means. Further, the transmission means may not know the quantum encryption key shared by the reception means. Because of such characteristics, the sender using the transmission means may not be an absolutely reliable target. If such a feature is used, for example, a quantum encryption key can be shared only by an arbitrary receiver using a quantum communication channel provided by a third party.
以上説明したように、この実施の形態の量子暗号鍵配送システムによれば、2以上の受信手段の全てがフォトンを受信し、かつ、2以上の受信手段のそれぞれが選択した復調系の全てと、送信手段の選択した変調系とが一致した場合にのみ、2以上の受信者との間で共有したビット列の誤り率を検出するようにしているので、誤り検出を受信手段間のみで行えばよく、また、送信手段にとって受信手段が共有した量子暗号鍵を知る必要がないので、任意の受信者のみで量子暗号鍵の共有が可能となる。 As described above, according to the quantum key distribution system of this embodiment, all of the two or more receiving units receive photons, and each of the two or more receiving units selects all of the demodulation systems selected. Since the error rate of the bit string shared between two or more recipients is detected only when the modulation system selected by the transmission means matches, if error detection is performed only between the reception means, In addition, since it is not necessary for the transmission means to know the quantum encryption key shared by the reception means, the quantum encryption key can be shared only by an arbitrary receiver.
実施の形態5.
図5は、本発明の実施の形態5にかかる量子暗号鍵配送システムの構成を示す概念図である。同図に示す量子暗号鍵配送システムの図1との相違は、受信手段の数が5となった点にある。なお、その他の構成については実施の形態3の構成と同一、あるいは同等であり、これらの部分については同一符号を付して示している。
FIG. 5 is a conceptual diagram showing the configuration of the quantum key distribution system according to the fifth embodiment of the present invention. The difference between the quantum key distribution system shown in FIG. 1 and FIG. 1 is that the number of receiving means is five. In addition, about another structure, it is the same as that of
図5に示す量子暗号鍵配送システムでは、受信手段2a、2b、2cにて相互に選択した復調系情報とパルスの到着の有無情報とが交換され、これらの3者間で量子暗号鍵が共有される。略同時に、受信手段2d、2eも互いに選択した復調系情報とパルスの到着の有無情報とが交換され、これらの2者間で量子暗号鍵が共有される。ところが、すでに上述した量子通信の原理から明らかように、受信手段2a、2b、2cと、受信手段2d、2eとが同一な送信手段1が送出する光パルスを受信したとしても、受信手段2a、2b、2cが共有する量子暗号鍵と、受信手段2d、2eが共有する量子暗号鍵とを異なる量子暗号鍵とすることが可能となる。したがって、同一の送信手段が送出する光パルスを用いて、複数のグループが略同時に量子暗号鍵を共有することができる。 In the quantum key distribution system shown in FIG. 5, the demodulating system information mutually selected by the receiving means 2a, 2b, and 2c and the presence / absence information of the arrival of pulses are exchanged, and these three parties share the quantum encryption key. Is done. At substantially the same time, the receiving means 2d and 2e also exchange the demodulated system information selected with each other and the presence / absence information of the arrival of the pulse, and the quantum encryption key is shared between these two parties. However, as is apparent from the above-described principle of quantum communication, even if the receiving means 2a, 2b, 2c and the receiving means 2d, 2e receive an optical pulse transmitted by the same transmitting means 1, the receiving means 2a, The quantum encryption keys shared by 2b and 2c and the quantum encryption keys shared by the receiving means 2d and 2e can be different from each other. Therefore, a plurality of groups can share the quantum encryption key almost simultaneously using the optical pulse transmitted by the same transmission means.
また、かかる構成によれば、フォトン発生器を有する送信手段が送出する光パルスを複数のユーザ、複数のシステムで共有できるので、システムの構築が安価かつ簡易となるという効果が生ずる。 Further, according to such a configuration, the optical pulse transmitted from the transmission means having the photon generator can be shared by a plurality of users and a plurality of systems, so that the system can be constructed at low cost and easily.
なお、図5のシステムにおいても、図3に示す実施の形態3の量子暗号鍵配送システムと同様に、各グループごとに誤り検出を行うことで、盗聴者の存在を確実に検出することが可能となる。
In the system of FIG. 5 as well, the presence of an eavesdropper can be reliably detected by performing error detection for each group, similarly to the quantum key distribution system of
以上説明したように、この実施の形態の量子暗号鍵配送システムによれば、フォトン発生手段を複数の量子暗号鍵配送システムで共有するようにしているので、複数のユーザあるいは複数システム間でフォトン発生器の共有が可能となり、システムの構成を安価、かつ簡易な構成とすることができる。 As described above, according to the quantum key distribution system of this embodiment, since the photon generation means is shared by a plurality of quantum encryption key distribution systems, photons are generated among a plurality of users or a plurality of systems. The devices can be shared, and the system configuration can be made inexpensive and simple.
以上のように、本発明にかかる量子暗号鍵配送システムは、複数のユーザあるいは複数システム間での量子暗号鍵の共有に有用であり、特に、送信者が絶対的に信頼できる対象でない場合や、複数のユーザグループごとに個別に量子暗号鍵を共有したい場合など、さまざまなニーズに柔軟に対応できる量子暗号鍵配送システムとして好適である。 As described above, the quantum cryptographic key distribution system according to the present invention is useful for sharing a quantum cryptographic key among a plurality of users or a plurality of systems, in particular, when the sender is not an absolutely reliable target, It is suitable as a quantum key distribution system that can flexibly respond to various needs such as when it is desired to share a quantum key individually for each of a plurality of user groups.
Claims (7)
フォトン発生手段と、選択可能な2系以上の変調系を有する変調手段と、を具備する送信手段と、
前記送信手段に接続された2経路以上の伝送路と、
前記2経路以上の伝送路のそれぞれに接続され、選択可能な2系以上の復調系を有する復調手段を具備する2以上の受信手段と、
を備え、
前記各伝送路に送出されるパルスには2つ以上のフォトンが含まれることがないように制御され、
前記送信手段と前記2以上の受信手段のうちの少なくとも一つの受信手段との間で該送信手段が選択した変調系情報が交換され、
前記2以上の受信手段のそれぞれが選択した復調系情報と、フォトン到着の有無情報とが該受信手段のそれぞれの間で交換され、
前記2以上の受信手段の全てがフォトンを受信し、かつ、該2以上の受信手段のそれぞれが選択した復調系の全てと、前記送信手段の選択した変調系とが一致した場合に前記量子暗号鍵を共有することを特徴とする量子暗号鍵配送システム。In a quantum key distribution system for sharing a quantum key,
Transmitting means comprising photon generating means and modulation means having two or more selectable modulation systems;
Two or more transmission lines connected to the transmission means;
Two or more receiving means comprising demodulating means connected to each of the two or more transmission paths and having two or more selectable demodulation systems;
With
The pulse transmitted to each transmission path is controlled so as not to include two or more photons,
Modulation system information selected by the transmission means is exchanged between the transmission means and at least one of the two or more reception means,
The demodulation system information selected by each of the two or more receiving means and the photon arrival / absence information are exchanged between the receiving means,
The quantum cryptography when all of the two or more receiving means receive photons, and all of the demodulation systems selected by each of the two or more receiving means match the modulation system selected by the transmitting means. A quantum key distribution system characterized by sharing a key.
2. The quantum key distribution system according to claim 1, wherein a polarization modulator is used as the modulation system and the demodulation system.
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