專利名稱：量子密碼裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種量子密碼裝置，尤其涉及通過光纖通信來進行共用加 密密鑰的量子加密密鑰分發(fā)的裝置。
背景技術：
隨著因特網(wǎng)的爆發(fā)性普及和電子商務的實用化，通信的保密、防篡改及個人的認證等密碼技術的社會需要性提高。當前，廣泛應用著如DES 密碼的公共密鑰方式及以RSA密碼為首的公開密鑰方式。但是，這些方 式是以"計算量的安全性"為基礎的。即，現(xiàn)行的密碼方式時常威脅著計 算機硬件和密碼解讀算法的進步。尤其在銀行間交易或與軍事、外交相關 的信息等的需要極高安全性的領域中，如果實施原理上安全的密碼方式， 則其影響較大。在利用信息理論來證明無條件安全性的密碼方式中存在一次性密鑰 法。 一次性密鑰法的特征是采用與通信文相同的長度的密碼密鑰，并將密 碼密鑰使用l次后棄用。在貝內(nèi)特(Bennett)、布拉薩德(Brassard)著，IEEE 計算機、系統(tǒng)、信號處理國際會議(IEEEInt.Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, P.175(1984))(非專利文獻l)中， 以貝內(nèi)特(Bennett)為首提出了當前作為BB84協(xié)議而被廣泛公知的、安全 分發(fā)在一次性密鑰法中使用的密碼密鑰的具體協(xié)議。以此為契機開始了對 量子密碼的廣泛研究。量子密碼中，因為物理法則保證密碼的安全性，所 以可構成不依靠計算機能力界限的究極安全性保證。在當前主要研究的量 子密碼裝置中，將一比特信息以單一光子的狀態(tài)進行編碼后傳輸。這是因 為光子與其他量子系統(tǒng)相比耐受環(huán)境的干擾較強，同時通過靈活應用現(xiàn)有 的光纖通信技術可以期待長距離的密碼密鑰分發(fā)。在理論上證明其安全性的量子密碼裝置，如非專利文獻l所述，利用 量子力學的2自由度系統(tǒng)的兩個可區(qū)別的狀態(tài)和與其共軛的狀態(tài)(其疊加 狀態(tài))來安全地傳輸密鑰。竊聽行為在量子力學的狀態(tài)中給予干擾，從而以 根據(jù)正規(guī)收發(fā)者收發(fā)數(shù)據(jù)中的錯誤可估計漏洩信息量的方式來設計協(xié)議。 這樣的信息通信所采用的量子狀態(tài)常常被稱為量子信息。擔負量子信息的 量子力學的2自由度系統(tǒng)被稱為量子比特，其在數(shù)學上與自旋1 / 2系統(tǒng) 等價。以下，對于構成信息載體的物理系統(tǒng)為光子的情況以現(xiàn)有技術進行 記述。以下，利用現(xiàn)有技術對本發(fā)明所涉及的將光子作為量子比特載體、為 了長距離傳輸而將光纖用作傳輸通路的密碼密鑰分發(fā)裝置進行說明。關于使用了光子的量子密碼裝置，在斯賓登(Zbinden)等著"Experimental Quantum Cryptography" 、 "INTRODUCTION TO QUANTUM COMPUTATION AND INORMATION(婁(Lo)等編著)"(World Sdentific、 1998年出版),120頁(非專利文獻2),埃克特(Ekert)等著「 Quantum Cryptography J , 「 The Physics of Quantum lnformation(玻密斯特 (Bouwmeester)等編著)」(Springer，2000年出版)，15頁(非專利文獻3),吉辛 (Gisin)等著「 Quantum Cryptography」 "Review of modern Physics " (Rev.Mod.Phys.)， 74號(2002年出版)，145 —195頁(非專利文獻4)中有詳 細的說明。在非專利文獻1中提出了在光子可具有的兩個偏振基礎狀態(tài)下， 對信息進行編碼的、稱為偏振編碼的量子密碼裝置的安裝。但是，因為偏 振編碼需要傳輸通路中的偏振旋轉(zhuǎn)的實時控制以及補償，所以不怎么使用 將光纖用作傳輸通路的長距離密碼密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安裝方法。作為長距離 密碼密鑰分發(fā)系統(tǒng)，仍舊由貝內(nèi)特等提出并實現(xiàn)了在2連式微弱光脈沖之 間的相對相位編碼信息的、被稱為相位編碼的量子密碼裝置的安裝。圖5表示非專利文獻2 4中所記載的基于相位編碼的量子密碼裝置 的代表性安裝例。在該裝置中采用了經(jīng)由光纖傳輸通路串聯(lián)連結兩個非對 稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)的構造的光學干涉系統(tǒng)。將裝備在發(fā)送側的微弱激 光光源51所發(fā)生的微弱短光脈沖入射到發(fā)送側的非對稱馬赫曾德爾干涉 系統(tǒng)52，由此在光纖傳輸通路上準備空間分離了該長短邊光路差的相干2 連式微弱光脈沖58。這里，所謂相干就是通過明確定義了長短邊光路差的 非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)52，可在2連式微弱脈沖的兩個脈沖之間明確 地定義相對相位。雖然2連式微弱光脈沖58在光纖傳輸通路53上的傳輸 中受到干擾，不過保存這些相對的相位關系和偏振面的關系，并給予接收 側的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)54。利用接收側的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)54,將2連式微弱光脈沖5 8轉(zhuǎn)換為3連式微弱光脈沖59，并輸出至下游側的兩個端口。利用光子檢 測器55來識別有無向非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)54的兩個下游端口輸出 的3連式微弱光脈沖59的中央的光脈沖中所包含的光子并進行記錄。在3連式微弱光脈沖59中的中央的光脈沖內(nèi)，在發(fā)送側非對稱馬赫 曾德爾干涉系統(tǒng)的長邊通過、在接收側的短邊通過的光脈沖和在發(fā)送側的 短邊通過、在接收側的長邊通過的光脈沖有用，通過這些有用的兩個光脈 沖的干涉，使到達向兩個輸出端口的輸出光強度比與2連式微弱光脈沖58 的光學遲延(相對的相位)以正弦波函數(shù)的模式相依存。在該光學干涉系統(tǒng)中，對2連式微弱光脈沖58的光學遲延(相對的 相位)給予調(diào)制，由此可進行基于量子密碼原理的加密密鑰分發(fā)。為了此目的，利用在通過發(fā)送側的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)52的 過程中含有光脈沖的相位調(diào)制器56來進行{0、兀/2、兀、3兀/2}的4值的 相位調(diào)制，利用在通過接收側的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)54的過程中 含有傳輸至光纖53后的2連式脈沖的相位調(diào)制器57來進行{0， 7i / 2}的2 值的相位調(diào)制。通過適當調(diào)節(jié)非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)52和54中的光學遲延，可 執(zhí)行非專利文獻1所提出的采用非正交4狀態(tài)的量子密碼密鑰分發(fā)協(xié)議， 并進行安全的密鑰分發(fā)?；谶@樣的相位編碼的量子密碼裝置有與光纖傳輸通路53的相性良 好、可進行長距離密鑰分發(fā)這樣的優(yōu)點，但是，也存在必須以每一光波長 的精度來維持收發(fā)者分別具有的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)52、 54的相 對光學遲延這樣的問題。分散地配置于這些收發(fā)者的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)52、 54的光 學遲延，由于溫度變化等其他原因而獨立地搖動或漂移，所以光干涉效果 容易消失。為了解決該問題，而需要測量兩個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)52、 54 的相對光學遲延變化、并反饋測定結果以恒定維持相對光學遲延的有源的
控制裝置。這樣的測定裝置不僅其自身的系統(tǒng)復雜、而且用于測量的參照 光使系統(tǒng)噪音增加，這成為量子密碼裝置性能惡化的原因。近年，為了解決這樣的問題，如在南部等著"BB84 Quantum Key Distribution System Based on Silica-Based Planar Lightwave Circuits" "Japan Journal of Applide Physicd " (Jpn J.Appl.Phys.),43號(2004年出版)，L1109 頁(非專利文獻5),木村等著"Single-Photon Interference over 150 km Transmission Using Sirica隱basedlntegrated-optic Interferometers for Quantum Cryptography" Japan Journal of Applide Physicd (Jpn J.Appl.Phys.) ， 43號 (2004年出版)，L1217頁(非專利文獻6)中所記載的那樣，研究并開發(fā)了應 用平面光路(PLC: Photonic Lightwave Circuit)技術的量子密碼裝置。該量 子密碼裝置利用在硅基板上由圖案結構形成的光波導路來制作非對稱馬 赫曾德爾干涉系統(tǒng)，從而，具有如下的優(yōu)點，即，可僅通過溫度控制這樣 的無源控制來實現(xiàn)不受干擾影響的穩(wěn)定的光學干涉系統(tǒng)，并能夠建立低噪 聲的系統(tǒng)。但是，在采用了 PLC的安裝的情況下，利用現(xiàn)有技術難以制作含有如 之前所示的相位調(diào)制器的低損失的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)。即使由于 在PLC包含相位調(diào)制器而導致的成本增加不成為問題，但由于設備的光學 損失增加與將微弱光用作信息載體的量子密碼裝置的性能惡化直接相關， 所以是不能允許的。為了解決該問題，研究、開發(fā)了在非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)的外部 配置有相位調(diào)制器的如圖6所示的量子密碼裝置。在該裝置中，將裝備在發(fā)送側的微弱激光光源61所發(fā)生的微弱短光 脈沖入射到由發(fā)送側的PLC構成的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)62，由此 在光纖傳輸通路上準備空間分離了該長短邊光路差的相干2連式微弱光脈 沖69。 2連式微弱光脈沖69在光纖傳輸通路63上傳輸。通過由PLC構成 的接收側的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)64，將2連式微弱光脈沖69變換 為3連式光脈沖70，并向下游側的兩個端口輸出。通過光子檢測器65來 識別有無向非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)64的兩個下游端口輸出的3連式 脈沖70的中央光脈沖中所包含的到達光子并進行記錄。此時，如圖6所示，在發(fā)送側的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)62的下
流串聯(lián)插入相位調(diào)制器(PMAI、 PMA2)66、 67。對這些相位調(diào)制器(PMA1、 PMA2) 66、 67與各自調(diào)制器的2連式微弱光脈沖69通過時刻同步地施加 脈沖性調(diào)制信號，從而，對2連式微弱光脈沖69的一個脈沖選擇地給予{0、 兀/2、兀、3兀/2}的4值的相位調(diào)制，并且對2連式微弱光脈沖69的光學 遲延(相對相位)給予4值調(diào)制。另一方面，還向發(fā)送側的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)64的上流串聯(lián) 插入相位調(diào)制器(PMB1) 68，對該相位調(diào)制器(PMB1) 68與2連式微弱光脈 沖69通過時刻同步地施加脈沖性調(diào)制信號，從而，對2連式微弱光脈沖 69的一一方的脈沖選擇地給予(O、兀/2}的2值的相位調(diào)制，并且對2連 式微弱光脈沖69的光學遲延(相對相位)給予2值調(diào)制。通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)發(fā)送側以及接收側的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)62 及64中的光學遲延，可以與圖5的量子密碼裝置同樣地執(zhí)行采用了非專 利文獻1提出的非正交4狀態(tài)的量子密碼密鑰分發(fā)協(xié)議，并進行安全的密 鑰分發(fā)。雖然確認采用了上述PLC的量子密碼裝置發(fā)揮作用，不過為了進行2 連式微弱光脈沖的相位調(diào)制，需要進行脈沖的相位調(diào)制，裝置變得復雜。 例如，非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)的長短邊光路差典型地為5毫微秒左右， 為了對2連式微弱光脈沖的一個脈沖有選擇地給予相位調(diào)制，需要1毫微 秒等級脈沖的調(diào)制裝置。因而，還需要用于與光脈沖通過同步地給予脈沖調(diào)制的高精度信號同 步系統(tǒng)，這樣該調(diào)節(jié)操作變得復雜。另外，當考慮插入的相位調(diào)制器的光 學損失時，希望減少或去除相位調(diào)制器。如上所述，在上述非專利文獻2 4及非專利文獻5 6所公開的量子 密碼裝置中，非對稱馬赫曾德爾干涉計及相位調(diào)制器都存在問題。而且， 在非專利文獻1 4所示的現(xiàn)有的基于相位編碼的量子密碼裝置中，需要 在長時間內(nèi)維持兩個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)的光路長的相對差，因 此，需要有源的控制裝置，使裝置復雜化。如非專利文獻5 6所示，可通過由PLC構成兩個非對稱馬赫曾德爾 干涉系統(tǒng)來避免該問題，不過為了進行信號調(diào)制而需要與脈沖性相位調(diào)制 高精度同步的信號系統(tǒng)，使裝置及其調(diào)節(jié)復雜化。即，無論選擇哪種安裝
方法都難以避免裝置的復雜化。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)有技術存在的問題點而作出的，其目的是提供使 正規(guī)使用者應該具有的裝置構成為比現(xiàn)有技術簡單的裝置的量子密碼裝 置。第一本發(fā)明的量子密碼裝置的特征是具有發(fā)生成為量子比特的信息 載體的光子的微弱激光光源；由平面光路構成的三個以上的非對稱馬赫曾 德爾干涉系統(tǒng)；傳輸該光子的光傳輸通路；光子檢測器；記錄發(fā)送者的發(fā) 送數(shù)據(jù)和接收者的觀測數(shù)據(jù)的裝置；以及用于在正規(guī)利用者間進行古典的 通信的古典通信通路。第二本發(fā)明的量子密碼裝置的特征是具有發(fā)生成為量子比特的信息 載體的光子的微弱激光光源；由平面光路構成的兩個以上的非對稱馬赫曾 德爾干涉系統(tǒng)；切換偏振分束器或偏振面的偏振開關；擾亂光傳輸通路上 的偏振面擾頻器或偏振片；傳輸該光子的光傳輸通路；光子檢測器；記錄 發(fā)送者的發(fā)送數(shù)據(jù)和接收者的觀測數(shù)據(jù)的裝置；以及用于在正規(guī)利用者間 進行古典的通信的古典通信通路。本發(fā)明的量子密碼裝置的特征是，通過采用由PLC構成的非對稱馬赫 曾德爾干涉系統(tǒng)，來排除可維持非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)的光路長度的 相對差的有源控制裝置，同時還能排除高速且高精度的信號調(diào)制裝置。在本發(fā)明的第一發(fā)明中，通過采用由三個以上的由PLC構成的非對稱 馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)，來排除發(fā)送者、接收者或兩者的信號調(diào)制裝置。在本發(fā)明的第二發(fā)明中，通過與由PLC構成的非對稱馬赫曾德爾干涉 系統(tǒng)一起并用90度切換偏振分束器或偏振面的偏振開關以及偏振面擾頻 器或偏振片，可將發(fā)送者、接收者或兩者所需的高速、高精度的相位調(diào)制 裝置置換為更低速、更低精度的偏振面調(diào)制器。通過本發(fā)明可使正規(guī)使用者應該具有的裝置的構造簡單化，其操作變 得容易。因此，與非專利文獻1 6所公開的量子密碼裝置相比，能夠顯 著地減輕正規(guī)使用者的裝置以及裝置運用的經(jīng)濟上及技術上的負擔。


圖1是表示本發(fā)明第一實施例的量子密碼裝置的結構圖。圖2是表示本發(fā)明第二實施例的量子密碼裝置的結構圖。 圖3是表示本發(fā)明第三實施例的量子密碼裝置的結構圖。 圖4是表示本發(fā)明第四實施例的量子密碼裝置的結構圖。 圖5是表示現(xiàn)有的量子密碼裝置的一例的結構圖。 圖6是表示現(xiàn)有的量子密碼裝置的其他例的結構圖。
具體實施方式
接著，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細地說明。 以下， 一邊參照附圖一邊對本發(fā)明的實施方式進行說明。在以下實施 例中說明在使裝置簡單化以及制造成本降低這樣的思路下可由收發(fā)者共 用具有大致相同結構的裝置的、在收發(fā)者側對稱構成的量子密碼裝置，不 過本發(fā)明完全不受這種結構上的制約。不言而喻，還同樣可以實施以下所 示的四個實施例的組合了任意發(fā)送裝置和任意接收裝置的量子密碼裝置。 圖1是表示本發(fā)明第一實施例的量子密碼裝置的結構圖。發(fā)送裝置具有光源部ll，其由產(chǎn)生成為量子比特信息載體的光子的四組微弱激光光 源組成；以及干涉部12，其由利用兩組PLC構成的非對稱馬赫曾德爾干 涉系統(tǒng)組成，另一方面，接收裝置具有干涉部12，其由利用兩組PLC 構成的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)組成；以及檢測部13，其由四組光子檢 測器(DOO、 DOl、 DIO、 Dll)組成。另外，利用傳輸微弱光的光傳輸通路 14來連接發(fā)送裝置和接收裝置。即，圖l所示的量子密碼裝置的特征是， 在發(fā)送側具有四個微弱激光光源，并且在收發(fā)側各設有兩組、合計四組的 馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)，由此，不需要相位調(diào)制器。圖2是本發(fā)明第二實施例的量子密碼裝置的結構圖。發(fā)送裝置具有 光源部21，其由產(chǎn)生成為量子比特信息載體的光子的四組微弱激光光源組 成；偏振部22，由兩組偏振分束器組成；干涉部23，其由利用PLC構成 的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)組成；以及偏振面擾頻器24，其擾亂偏振面。一方面，接收裝置由干涉部23，其由利用PLC構成的單個非對稱 馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)組成；由兩組偏振分束器組成的偏振部22;以及由四
組光子檢測器組成的檢測部25構成，發(fā)送裝置和接收裝置通過傳輸微弱 光的光傳輸通路26進行連接。從附圖中可以明確地了解，第二實施例的 特征是，在發(fā)送裝置側以及接收裝置側共計具有兩個非對稱馬赫曾德爾干 涉系統(tǒng)，并且在發(fā)送裝置側以及接收裝置側分別具備具有兩組偏振分束器的偏振部22，排除相位調(diào)制器。圖3是本發(fā)明第三實施例的量子密碼裝置的結構圖。發(fā)送裝置具有光源部31，其由產(chǎn)生成為量子比特信息載體的光子的兩組微弱激光光源組 成；由兩組偏振面開關組成的開關部32;干涉部33，其由利用PLC構成 的單個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)組成；以及偏振面擾頻器34，其擾亂偏 振面。另一方面，接收裝置具有干涉部33，其由利用PLC構成的單個非 對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)組成；開關部32，其由兩組偏振面開關組成；以 及光子檢測部35,其由兩組光子檢測器組成。發(fā)送裝置和接收裝置經(jīng)由傳 輸微弱光的光傳輸通路36進行連接。從圖3中可以明確地了解，第三的 實施例的特征是，在發(fā)送裝置側以及接收裝置側共計具有兩個非對稱馬赫 曾德爾干涉系統(tǒng)，并且在發(fā)送裝置側以及接收裝置側分別具有由兩組偏振 面開關組成的幵關部32，排除相位調(diào)制器。圖4是本發(fā)明第四實施例的量子密碼裝置的結構圖。發(fā)送裝置具有 光源部41，其由產(chǎn)生成為量子比特信息載體的光子的兩組微弱激光光源組 成；偏振控制部42，其由兩組偏振控制器組成；干涉部43，其由利用PLC 構成的單個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)組成；開關部44，其由單個偏振面 開關組成；以及偏振面擾頻器45，其擾亂偏振面。接收裝置具有開關部44，其由單個偏振面開關組成；干涉部43， 其由利用PLC構成的單個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)組成；以及檢測部 46，其由兩組光子檢測器組成。發(fā)送裝置以及接收裝置經(jīng)由傳輸微弱光的 光傳輸通路47進行連接。在圖4所示的例子中，在發(fā)送裝置側以及接收 裝置側都設有共計由兩個PLC構成的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)43、偏 振面開關44以及偏振面擾頻器45，由此，不需要相位調(diào)制器。雖然在圖1 4中未圖示，但收發(fā)者的記錄裝置可由個人計算機來構 成，而且在分發(fā)了量子加密密鑰后，經(jīng)由通常的因特網(wǎng)等古典通信路徑進 行通信。以下，參照圖對本發(fā)明的四個實施例的動作依次進行說明。 在圖1所示的本發(fā)明第一實施例中，正規(guī)發(fā)送者從由發(fā)生同一波長入 的相干光的四組微弱激光光源構成的光源部11中隨機地選擇光源，由選 出的光源射出微弱的短光脈沖。向各非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)的兩個輸 入端口入射短光脈沖后，可根據(jù)輸入端口的選擇在輸出端口上準備相對相 位僅相差7l的相干2連式微弱光脈沖(明確定義了相對相位的兩個光脈沖)。這里，設有由長短邊光路差僅相差(m +l/2)X/2n的兩組干涉系統(tǒng)組成 的干涉部12，其中，將m設為整數(shù)，將n設為PLC波導路的實際折射率。 即，如果將構成干涉部12的一個干涉系統(tǒng)的長短邊光路差設為L1、另一 個干涉系統(tǒng)的長短邊光路差設為L2，則U—L2=(m+l/2)人/2n。利用光耦 合器將兩組干涉系統(tǒng)12的輸出端口與共用的光傳輸通路結合。構成干涉部12的兩組干涉系統(tǒng)可分別根據(jù)輸入端口的選擇在光傳輸 通路上準備O基底系統(tǒng){0、 71}以及兀/2基底系統(tǒng){兀/2、 3兀/2}的屬于相 互共扼的基底系統(tǒng)的2連式微弱光脈沖。因此，通過隨機地選擇微弱激光 光源11，可在光傳輸通路上隨機地準備使用非正交4狀態(tài)的量子密碼所需 的相對相位偏置到{0、 tt/2、兀、3兀/2}的4種相干2連式微弱光脈沖15。另一方面，接收裝置具備由具有與發(fā)送裝置同樣的長短邊光路差的利 用兩組PLC構成的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)組成的干涉部12，其輸入 端口利用光耦合器與傳輸微弱光的光傳輸通路14結合。利用四組光子檢 測端13來檢測有無來自各個干涉系統(tǒng)的3連式微弱光脈沖輸出16的中央 的脈沖所包含的到達光子。此時，在發(fā)光部11中的光源(LD00 LD11)的選擇是(LD00或LD0U、 且檢測部13中的光子檢測器(D00 D11)的光子檢測是(D00或D01)時(全 事件的1/4)，以及在發(fā)光部11中的微弱激光光源(LD00 LD11)的選擇 是(LD10或LD11)、且光子檢測部13的光子檢測是P10或D11)時(全事 件的1/4)，可通過溫度控制等的方法來控制干涉部12，以使光源選擇和 光子檢測后的檢測器完全相關。關于這個以外的光源選擇和已光子檢測的檢測器的組合，在兩者之間 不完全相關，從而在密鑰生成中不采用。以上的動作滿足使用了非正交4
狀態(tài)的量子密碼裝置的充分必要條件，按照已提出的協(xié)議可在收發(fā)者間共 有無條件安全的密鑰。根據(jù)該裝置結構，完全不需要如現(xiàn)有技術那樣選擇地調(diào)制2連式微弱 光脈沖的一個脈沖的高速的信號調(diào)制器，僅選擇構成光源部11的微弱激 光光源進行驅(qū)動既可，從而可簡便地構成量子密碼裝置。雖然必需進行干 涉部12的精密控制，但利用PLC技術可容易地解決。由于光子檢測器增加到2倍，所以暗計數(shù)的噪聲增加到2倍，不過因為不需要調(diào)制器，從而通過排除其光學損失可幾乎抵消。接著，對圖2所示的第二本發(fā)明的第一實施例進行說明。正規(guī)發(fā)送者 從發(fā)生同一波長人的相干光的四組微弱激光光源(LD00 LD11)組成的光 源部21中隨機選擇光源，由選出的光源射出微弱的短光脈沖。構成光源 部21的四組微弱激光光源LDOO及LD01、LD10及LD11發(fā)生相互正交的 直線偏振微弱脈沖光。這里，微弱激光光源LD00及LD10產(chǎn)生TE偏振， 另一方面，微弱激光光源LD01及LD11產(chǎn)生TM偏振。四組微弱激光光源LDOO及LDIO、 LD01及LDll所產(chǎn)生的微弱脈沖 光經(jīng)由構成偏振部22的兩組偏振分束器，入射到由單個PLC構成的非對 稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)的兩個輸入端口。具體而言，從光源部21的微弱激光光源LDOO及LD10出射的短脈沖 光(TE偏振)具有與構成干涉部23的基板面平行的偏振面，另一方面，從 微弱激光光源LD01及LDll出射的短脈沖光(TM偏振)具有與干涉系統(tǒng) 23的基板面垂直的偏振面。已圖示的干涉部23利用硅波導路的雙折射特 性，通過劇烈的溫度調(diào)節(jié)來進行控制，以使針對TE偏振光和TM偏振光， 長短邊光路差相差(m+l/2) A72n。從而，通過選擇干涉部23的輸入脈沖光 的偏振面，可以從相對相位0基底系統(tǒng){0,兀}及兀/2基底系統(tǒng){兀/2、 3兀/2} 中自由地選擇準備的2通微弱光脈沖所屬的基底系統(tǒng)。同時，可通過輸入端口的選擇從{0，兀}中選擇輸出2連式微弱光脈沖 的相對相位來進行控制。2連式微弱光脈沖在通過偏振面擾頻器24，由此 在消去了 2連式微弱光脈沖的偏振面和選擇基底之間的相關之后，向傳輸 微弱光的光傳輸通路26輸出。通過以上的裝置結構來隨機地選擇構成光 源部21的微弱激光光源(LD00 LD11)，可以在光傳輸通路上隨機地準備 采用非正交4狀態(tài)的量子密碼所需的、相對相位偏置了(O、 7C/2、兀、3兀/2}的4種相干2連式微弱光脈沖27。另一方面，接收裝置具備由具有與發(fā)送裝置同樣的長短邊光路差的利 用PLC構成的單個的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)組成的干涉部23，其輸 入端口的一個與傳輸微弱光的光傳輸通路26結合。利用與輸出端口下游 連接的構成偏振部22的兩個偏振分束器，將干涉部23的TE偏振光導入 檢測部25的光子檢測器D00及DIO，將TM偏振光導入光子檢測器D01 及Dll。利用四組光子檢測器(D00 D11)來檢測有無偏振部22的偏振分束器 的3連式微弱光脈沖輸出28的中央的脈沖所包含的到達光子。構成接收 側的干涉部23的單個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)與發(fā)送側同樣，利用劇 烈的溫度調(diào)節(jié)來進行控制，以使其長短邊光路差依據(jù)TE/TM偏振面選擇 而相差(m+l/2) V2n。此時，在光源21的選擇是微弱激光光源(LDOO或 LD01)且檢測部25的光子檢測是光子檢測器{ DOO或DOl }時(全事件的 1/4)、以及在光源21的選擇是微弱激光光源(LD10或LD11)且檢測部25 的光子檢測是光子檢測器(D10或D11)時(全事件的1/4)，可通過微小的溫 度控制來控制干涉系統(tǒng)23，以使光源選擇與光子檢測后的檢測器完全相 關。關于這個以外的光源選擇和光子檢測后的檢測器的組合，在兩者之間 不完全相關，從而在密鑰生成中不采用。以上的動作滿足使用了非正交4狀態(tài)的量子密碼裝置的充分必要條 件，根據(jù)己提出的協(xié)議可在收發(fā)者間共有無條件安全的密鑰。根據(jù)該裝置結構，完全不需要如現(xiàn)有技術那樣有選擇地調(diào)制2連式微 弱光脈沖的一個脈沖的高速的信號調(diào)制器，僅選擇微弱激光光源11來進 行驅(qū)動即可，從而可簡便地構成量子密碼裝置。雖然與上述實施例相比可 減少構成干涉部23的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)的個數(shù)，但基于偏振分 束器22的光學損失增加。另外，由于光子檢測器增加到2倍，所以暗計 數(shù)的噪聲增加到2倍。接著，對圖3所示的實施例進行說明。正規(guī)發(fā)送者從發(fā)生同一波長入 的相干光的光源部31的兩組微弱激光光源中隨機的選擇光源，從選出的 光源射出微弱的短光脈沖。構成光源部31的微弱激光光源發(fā)生明確定義 了偏振的直線偏振微弱脈沖光，其偏振面可通過構成偏振部32的兩組偏振開關來切換為由干涉部33定義的TE及TM偏振。構成偏振部32的偏 振開關可由偏振調(diào)制器以及偏振片構成。其輸出光入射到由利用單個PLC 構成的單個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)組成的干涉部33的兩個輸入端口。構成干涉部33的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)通過劇烈的溫度調(diào)節(jié)來 進行控制，以使針對TE偏振光和TM偏振光，長短邊光路差相差(m+l/2) 邊n。由此，利用構成偏振部32的偏振開關(POLSW)來選擇非對稱馬赫曾 德爾干涉系統(tǒng)的輸入脈沖光的偏振面，從而可以從相對相位0基底系統(tǒng)-{0，兀}及兀/2基底系統(tǒng){兀/2、 3兀/2}中自由地選擇準備的2通微弱光脈沖所 屬的基底系統(tǒng)。同時，可通過輸入端口的選擇從{0，兀}中選擇輸出2連式 微弱光脈沖的相對相位來進行控制。2連式微弱光脈沖通過偏振面擾頻器 34，由此在消去了 2連式微弱光脈沖的偏振面和選擇基底之間的相關之后， 向傳輸微弱光的光傳輸通路36輸出。通過以上的裝置結構來隨機地選擇構成微弱激光光源以及偏振開關 的動作，由此可以在光傳輸通路上隨機地準備采用非正交4狀態(tài)的量子密 碼所需的、相對相位偏置了(O、 7c/2、兀、3兀/2}的4種相干2連式微弱 光脈沖15。另一方面，接收裝置具備由具有與發(fā)送裝置同樣的長短邊光路差的利 用PLC構成的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)組成的干涉部33，其輸入端口 的一個與傳輸微弱光的光傳輸通路36結合。利用與輸出端口下流連接的 構成偏振部32的偏振開關，來選擇干涉部33的輸出光的TE偏振分量或 TM偏振分量，并導入檢測部35的光子檢測器D0、 Dl。利用檢測部35 的兩組光子檢測器來檢測有無接收裝置的偏振開關(POLSW)的3連式脈沖 輸出38的中央的脈沖所包含的到達光子。接收裝置的干涉部33與發(fā)送側 同樣，利用劇烈的溫度調(diào)節(jié)來進行控制，以使其長短邊光路差通過TE/TM 偏振面選擇而相差(m+l/2)人/2n。此時，在構成收發(fā)裝置中的偏振部32的偏振開關的選擇為同一偏振 時(全事件的1/2)，可通過微小的溫度控制來控制干涉系統(tǒng)33，以使光源 選擇與已光子檢測的檢測器完全相關。另一方面，在收發(fā)裝置的偏振部32 的偏振開關的選擇為不同的偏振時(全事件的1/2)，光源選擇和已光子檢測 的檢測器之間不完全相關，從而在密鑰生成中不采用。以上的動作滿足使用了非正交4狀態(tài)的量子密碼裝置的充分必要條 件，根據(jù)已提出的協(xié)議可在收發(fā)者間共有無條件安全的密鑰。根據(jù)該裝置結構，不需要如現(xiàn)有技術那樣選擇地調(diào)制2連式微弱光脈 沖的一個脈沖的高速的信號調(diào)制器，僅利用以系統(tǒng)反復周可動作的低速的 兩組偏振開關來選擇來自兩組微弱激光光源的偏振面既可。在該實施例 中，構成干涉部33的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)的個數(shù)只要有兩個就足夠了，不過基于構成偏振部32的偏振開關的光學損失增加。但是，在該 實施例中，因為光子檢測器有2個就足夠了，所以基于暗計數(shù)的噪聲沒有增加。最后，對圖4所示的實施例進行說明。正規(guī)發(fā)送者從發(fā)生同一波長X 的相干光的光源部41的兩組微弱激光光源中隨機選擇光源，從選出的光 源射出微弱的短光脈沖。光脈沖利用構成偏振控制部42的偏振控制器轉(zhuǎn) 換為由干涉部43的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)所定義的TE及TM偏振的等權重率的重合狀態(tài)、例如圓偏ii?？刂撇?2的輸出光入射到由利用單個PLC構成的非對稱馬赫曾德爾 干涉系統(tǒng)組成的干涉部43的兩個輸入端口 。干涉部43利用劇烈的溫度調(diào) 節(jié)進行控制，以使針對TE偏振光和TM偏振光，長短邊光路差相差(m+l/2) A72n。利用偏振部44的偏振開關來選擇其輸出光的TE或TM偏振分量， 并使其通過偏振面擾頻器45，由此在消去2連式微弱光脈沖的偏振面與選 擇基底之間的相關后，輸出至傳輸微弱光的光傳輸通路47。通過以上的裝 置結構，利用偏振開關來選擇干涉部43的輸出脈沖光的偏振面，從而可 從相對相位0基底系統(tǒng)(0、兀)及兀/2基底系統(tǒng)(兀/2、 3兀/2)中自由選擇準 備的2連式微弱光脈沖所屬的基底系統(tǒng)。同時，根據(jù)輸入端口的選擇可從 (0、兀)中選擇輸出2連式微弱光脈沖的相對相位來進行控制。因此，通過 隨機地選擇光源部41的微弱激光光源(LD0、LD1)以及偏振部44的偏振開 關的動作，可將使用非正交4狀態(tài)的量子密碼所需的、相對相位偏置{0、 兀/2、 7u、 3兀/2}的4種相干2連式微弱光脈沖48隨機準備到光傳輸通路47 上。另一方面，接收裝置具備由具有與發(fā)送裝置同樣的長短邊光路差的利
用PLC構成的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)組成的干涉部43，其輸入端口選擇干涉部43所定義的TE及TM偏振分量，經(jīng)由透過的偏振開關44與 傳輸微弱光的光傳輸通路47結合。利用偏振開關44來選擇2連式微弱光 脈沖48的TE或TM偏振分量，為了與發(fā)送裝置同樣地根據(jù)TE/TM偏振 面選擇使長短邊光路差相差(m+l/2) V2n，而入射到通過劇烈的溫度調(diào)節(jié)來 控制的構成干涉部43的單個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)。將干涉部43的 輸出光的TE偏振分量或TM偏振分量導入檢測部46的光子檢測器(D0、 Dl)，并利用檢測部46的兩組光子檢測器(D0、 Dl)來檢測有無其3連式脈 沖輸出49的中央的脈沖所包含的到達光子。此時，可通過微小的溫度控制來控制干涉部43，以使在收發(fā)裝置的偏 振部44中的偏振開關(POLSW)的選擇為同一偏振時(全事件的1/2)，光源 選擇與光子檢測后的檢測器完全相關。在收發(fā)裝置的偏振部44的偏振開關(POLSW)的選擇為不同的偏振時 (全事件的1/2)，光源選擇與已光子檢測的檢測器之間不完全相關，從而在 密鑰生成中不采用。以上的動作滿足使用了非正交4狀態(tài)的量子密碼裝置的充分必要條 件，按照已提出的協(xié)議可在收發(fā)者間共有無條件安全的密鑰。根據(jù)該裝置結構，不需要如現(xiàn)有技術那樣有選擇地調(diào)制2連式微弱光 脈沖的一個脈沖的高速的信號調(diào)制器，僅利用可以以系統(tǒng)反復周期進行動 作的低速的偏振開關44選擇光源部41的微弱激光光源的偏振面即可。雖 然干涉部43的個數(shù)有2個就足夠了，不過基于偏振部44的偏振開關 (POLSW)的光學損失增加。在該實施例中，因為光子檢測器(DO、 Dl)有2 個就足夠了，所以沒有暗計數(shù)的噪聲增加。此外，說明了第一 第四實施 例的發(fā)送裝置分別與第一 第四實施例的接收裝置組合地進行使用的情 況，不過第一 第四實施例的發(fā)送裝置可與其他實施例的接收裝置組合地 進行使用。以上本發(fā)明的共有的特征在于不需要現(xiàn)有技術那樣的高速的信號調(diào) 制器，僅利用可以以系統(tǒng)反復周期內(nèi)進行動作的低速的信號調(diào)制就足夠 了，與利用PLC構成的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)的應用相互結合，可 使正規(guī)使用者應該具有的裝置的構造簡單化，其操作容易化。因此，與非
專利文獻1 6所公開的量子密碼裝置相比，可顯著減輕正規(guī)使用者的裝 置及用于裝置運用的經(jīng)濟上及技術上的負擔。本發(fā)明的量子密碼裝置可利用簡單的裝置結構長距離地分發(fā)加密密 鑰，這在安全性高的通信系統(tǒng)中作用非常顯著。
權利要求
1. 一種量子密碼裝置，具有發(fā)送成為量子比特的信息載體的光子的發(fā)送側；以及經(jīng)由光傳輸通路與該發(fā)送側連接并接收上述光子的接收側；在上述發(fā)送側和上述接收側設有由平面光路(PLC)構成的三個以上的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)，由此不需要上述發(fā)送側以及接收側雙方的相位調(diào)制器。
2. 根據(jù)權利要求1所述的量子密碼裝置，其特征在于， 上述發(fā)送側具有發(fā)生同一波長的相干脈沖光的四組微弱激光光源；以及由上述PLC構成的兩組非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)，該兩組非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)具備互不相同的長短邊光路差。
3. 根據(jù)權利要求2所述的量子密碼裝置，其特征在于， 在將由上述PLC所構成的兩組非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)的長短邊光路差分別設為Ll和L2時，利用如下公式進行表示Ll一L2二(m+l/2)V2n(其中，m為整數(shù)，n為構成各非對稱馬赫曾德 爾干涉系統(tǒng)的波導路的實際折射率，X為上述相干光的波長)。
4. 根據(jù)權利要求3所述的量子密碼裝置，其特征在于， 隨機選擇上述四組微弱激光光源的相干光，并輸入到由上述PLC構成的兩組非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)，在上述光傳輸通路上發(fā)送具有非正交 4狀態(tài)的2連式微弱光脈沖。
5. 根據(jù)權利要求1 4中任意一項所述的量子密碼裝置，其特征在于， 上述接收側具有由上述PLC構成的兩組非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)；和四組光子檢測器。
6. 根據(jù)權利要求1 4中任意一項所述的量子密碼裝置，其特征在于， 上述接收側具有由上述PLC構成的、與上述光傳輸通路連接的單個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)；與該單個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)的兩個 輸出端口連接的兩個偏振分束器；以及四組光子檢測器。
7. 根據(jù)權利要求1 4中任意一項所述的量子密碼裝置，其特征在于， 上述接收側具有由上述PLC構成的、與上述光傳輸通路連接的單個 非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)；與該單個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)的兩個輸出端口連接的、選擇輸出光的TE以及TM偏振分量的兩個偏振開關； 以及兩組光子檢測器。
8. 根據(jù)權利要求1 4中任意一項所述的量子密碼裝置，其特征在于， 上述接收側具有與上述光傳輸通路連接且選擇上述光傳輸通路上的光脈沖的TE或TM偏振分量的偏振開關；由上述PLC構成并與上述偏振 開關連接的單個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)；以及兩組光子檢測器。
9. 一種量子密碼裝置，具有發(fā)送成為量子比特的信息載體的光子 的發(fā)送側；以及經(jīng)由光傳輸通路與該發(fā)送側連接并接收作為2連式微弱光 脈沖的上述光子的接收側；在上述發(fā)送側和上述接收側設有由平面光路(PLC)構成的兩個以上的 非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)、以及切換偏振分束器或偏振面的偏振開關， 由此不需要上述發(fā)送側以及接收側雙方的相位調(diào)制器。
10. 根據(jù)權利要求9所述的量子密碼裝置，其特征在于， 上述發(fā)送側包含發(fā)生相互正交的同一波長的直線偏振相干脈沖光的兩組(計四個)微弱激光光源；選擇由上述兩組光源輸出的直線偏振微弱脈 沖的偏振面的兩個偏振分束器；以及由PLC構成的與上述兩個偏振分束器 連接的單個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)。
11. 根據(jù)權利要求9所述的量子密碼裝置，其特征在于， 上述發(fā)送側具有發(fā)生同一波長的相干光的兩組微弱激光光源；分別與上述兩組光源連接并選擇互不相同的偏振光的兩組偏振開關；以及由上 述PLC構成的與上述兩組偏振開關連接的單個的非對稱馬赫曾德爾干涉 系統(tǒng)。
12. 根據(jù)權利要求9或11所述的量子密碼裝置，其特征在于， 上述發(fā)送側具有連接在上述單個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)的單個輸出端口與上述光傳輸通路之間的偏振擾頻器。
13. 根據(jù)權利要求9所述的量子密碼裝置，其特征在于， 上述發(fā)送側具有發(fā)生同一波長的相干光的兩組微弱激光光源；選擇來自上述兩組光源的相干光，并將選出相干光的偏振面轉(zhuǎn)換為圓偏振的偏 振控制器；由上述PLC構成的與上述偏振控制器連接的單個的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)；以及與上述單個非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)和上述光傳 輸通路連接的偏振開關。
14.根據(jù)權利要求13所述的量子密碼裝置，其特征在于，上述發(fā)送側具有連接在上述偏振開關和上述光傳輸通路之間的偏振、根據(jù)權利要求9 14中任意一個所述的量子密碼裝置，其特征在 于，上述接收側含有由PLC構成的單個的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明的量子密碼裝置的特征是具有發(fā)生成為量子比特的信息載體的光子的微弱激光光源；由平面光路構成的三個以上的非對稱馬赫曾德爾干涉系統(tǒng)；傳輸該光子的光傳輸通路；光子檢測器；記錄發(fā)送者的發(fā)送數(shù)據(jù)和接收者的觀測數(shù)據(jù)的裝置；以及用于在正規(guī)利用者間進行古典的通信的古典通信通路。
文檔編號H04L9/12GK101401350SQ200780008498
公開日2009年4月1日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權日2006年3月16日
發(fā)明者南部芳弘 申請人:日本電氣株式會社