量子加密通信設備，量子加密通信方法和量子加密通信系統的製作方法

2023-12-07 02:08:51

專利名稱：量子加密通信設備，量子加密通信方法和量子加密通信系統的製作方法
技術領域：
本公開涉及量子加密通信設備，量子加密通信方法和量子加密通信系統，更具體地說，涉及進行量子加密通信的小型化量子加密通信設備，它能夠安裝在可攜式電子設備
絕μ 寸丄O
背景技術：
在現有技術中，在網際網路等中進行的通信中，利用加密技術保持安全性。加密系統主要被分成兩種加密系統，即，共用密鑰加密系統和公開密鑰加密系統。例如在目前， AES (高級加密標準)等已被廣泛用作共用密鑰加密系統，RSA等已被廣泛用作公開密鑰加密系統。在共用密鑰加密系統中，通信雙方保管共用的秘密密鑰。發射器利用秘密密鑰加密明文，從而生成密文，接收器利用相同的秘密密鑰對密文解碼，從而獲得原始明文。在共用密鑰加密系統中，保持安全性的重要因素是使密鑰保密。在共用密鑰加密系統中，如果進行利用暴力破解搜索密鑰的所謂「暴力破解攻擊」，那麼密鑰暴露的可能性高。在目前使用的共用密鑰加密系統中，估計進行暴力破解攻擊需要不切實際的大量資源 (計算性能或計算量)。於是，目前可認為共用密鑰加密系統是安全的。不過在未來，由於計算機性能的提高等，預計暴力破解攻擊是可行的攻擊。事實上，推薦用AES替代現有技術中一直使用的稱為2-key TDES(3重DES)的方法。就包括暴力破解攻擊在內的攻擊而論，通過利用頻繁更新共用密鑰的方法可增強安全性。換句話說，儘管攻擊者竊聽通信並獲得密鑰，不過如果密鑰被經常更新，那麼利用密鑰譯解的密文量被減小，以致相對降低攻擊者獲得的信息總量。作為頻繁更新共用密鑰的方法之一，如在日本專利No. 4015385中公開的那樣，提出一種利用量子加密通信進行量子密鑰分配(QKD 量子密鑰分配)的方法。量子密鑰分配是一種在利用可傳送量子態的通信線路和通常的通信線路連接的雙方之間，生成共用秘密密鑰的協議。該協議以量子力學原理為基礎。於是，儘管攻擊者在通信線路上進行竊聽，不過認為與生成的秘密密鑰相關的信息不被洩露給攻擊者。如果使用量子密鑰分配協議，那麼彼此分離的雙方可安全地共享秘密密鑰，可利用量子密鑰分配協議在任何時候生成該秘密，以致可以頻繁地進行共用密鑰的上述更新。這樣，通過結合量子密鑰分配和共用密鑰加密，能夠增強共用密鑰加密系統的安全性。在量子密鑰分配中，例如，使用了 BB84協議，或者作為在「Secret key can be obtained from both compatible and incompatible measurements in the six-state QKD protocol」(Matsumoto Ryutaro,IEICE Technical Report IT2007-43，ISEC20070140， WBS2007-74 (2008-02))中公開的B84協議的擴展的6態式協議。另外，如在未經審查的日本專利申請公開No. 2007-286551中公開的一樣，使用一種進行光脈衝的強度調製，以致能夠進一步提高量子密鑰分配的加密強度的誘騙方法。

發明內容
不過，在現有技術的量子加密通信中，由於對利用光纜的長距離通信使用調相器等，因此，通信設備尺寸較大。例如，由於通信設備具有以致其被容納在機架中的尺寸，因此難以使所述通信設備適合於可攜式電子設備，比如行動電話機、PDA、平板式PC、電子書籍閱讀器、筆記本PC等。理想的是提供一種能夠嵌入可攜式電子設備等中，並進行量子加密通信的量子加密通信設備，量子加密通信方法和量子加密通信系統。按照本公開的第一實施例，提供一種進行基於量子加密的通信處理的傳送方量子加密通信設備，包括生成光脈衝的光源單元；利用可變波長板進行光脈衝的偏振調製的偏振調製單元；和驅動可變波長板以把光脈衝的偏振態隨機轉換成多種預定偏振基 (polarization base)之一的控制器。在本公開的實施例中，光脈衝由利用例如半導體發光器件構成的光源單元生成。 在偏振調製單元中，通過利用液晶延遲器作為可變波長板，進行光脈衝的偏振調製。控制器驅動液晶延遲器把光脈衝的偏振態轉換成多種預定偏振基之一。這樣，傳送方的量子加密通信設備輸出偏振調製的光脈衝。另外，在液晶延遲器的光脈衝入射面一側中一體地布置偏振器。另外，在液晶延遲器的出射面一側中布置光軸相對於液晶延遲器的光軸被傾斜 45°的第二液晶延遲器，所述兩個液晶延遲器由控制器驅動，以致進行利用6態式協議的量子加密通信。另外，在偏振器和液晶延遲器之間布置強度調製器，例如，用液晶延遲器和偏振器構成的強度調製器，以進行光脈衝的強度的轉換，以致進行量子加密通信。按照本公開的第二實施例，提供一種進行基於量子加密的通信處理的傳送方量子加密通信設備的量子加密通信方法，包括允許光源單元生成光脈衝；利用可變波長板進行光脈衝的偏振調製；和允許控制器驅動可變波長板以把光脈衝的偏振態隨機轉換成多種預定偏振基之一。按照本公開的第三實施例，提供一種進行量子加密的通信處理的量子加密通信系統，其中傳送方的量子加密通信設備包括生成光脈衝的光源單元；利用可變波長板進行光脈衝的偏振調製，並把偏振調製的光脈衝發射到通信線路的偏振調製單元；和驅動可變波長板以把光脈衝的偏振態隨機轉換成多種預定偏振基之一的控制器，其中接收方的量子加密通信設備包括把從傳送方的量子加密通信終端發射出的光脈衝分配給每個偏振基的光學單元；和相對於每個偏振基，檢測分配給每個偏振基的光脈衝的受光單元。按照本公開，能夠利用可變波長板，例如液晶延遲器，把光源單元生成的光脈衝的偏振態隨機轉換成多種預定偏振基之一。於是，由於可利用簡單的結構，使偏振調製的光脈衝從傳送方發射到接收方，因此能夠使量子加密通信設備或系統小型化。


圖1是圖解說明量子加密通信系統的整體結構的示圖；圖2是圖解說明按照本公開的第一實施例的結構的示圖；圖3是圖解說明用液晶延遲器進行的偏振調製的示圖；圖4是圖解說明按照本公開的第二實施例的結構的示圖5是圖解說明按照本公開的第二實施例的另一結構的示圖；圖6是圖解說明用液晶延遲器和1/4波長板進行的偏振調製的示圖；圖7是圖解說明按照本公開的第三實施例的結構的示圖；圖8是圖解說明用液晶延遲器進行的偏振調製的示圖；圖9是圖解說明按照本公開的第四實施例的結構的示圖；圖10是圖解說明按照本公開的第五實施例的結構的示圖；圖11是圖解說明量子加密通信設備被裝配到行動電話機中的狀態的示圖；圖12是圖解說明量子加密通信設備被裝配到筆記本式PC中的狀態的示圖；圖13是圖解說明在量子加密通信設備被裝配到筆記本式PC中的狀態下的結構的示圖。
具體實施例方式下面說明本公開的實施例。另外，將按照下述順序進行說明。1.量子加密通信系統的整體結構2.第一實施例3.第二實施例4.第三實施例5.第四實施例6.第五實施例圖1是圖解說明量子加密通信系統的整體結構的示圖。量子加密通信系統10包括傳送方量子加密通信設備(下面稱為「傳送方通信設備」)20和接收方量子加密通信設備 (下面稱為「接收方通信設備」)30。發射方通信設備20和接收方通信設備30通過量子通信線路51和傳統通信線路55相互連接。發射方通信設備20包括光源單元21、偏振調製單元22、密鑰存儲器23、加密/解碼單元對、通信單元25和控制器26。光源單元21由諸如雷射二極體或LED之類的半導體發光器件、使從半導體發光器件射出的光脈衝準直的透鏡等構成。光源單元21的發光由控制器沈控制。偏振調製單元22把從光源單元22射出的光脈衝的偏振態轉換成多種預定偏振基之一。偏振調製單元22是利用可變波長板，比如液晶延遲器構成的。偏振調製單元22根據控制器沈的控制信號進行偏振調製，根據控制信號高速地把從光源單元21射出的光脈衝的偏振態轉換成多種預定偏振基之一，並通過量子通信線路51把光脈衝發射到接收方通信設備30。密鑰存儲器23保存控制器沈生成的共用密鑰KYc。另外，加密/解碼單元M通過使用保存在密鑰存儲器23中的共用密鑰KYc，利用加密對通信文本DVa加密，或者對加密的通信文本DVae解碼。 通信單元25通過傳統通信線路55，把未加密的通信文本DVb或者用加密/解碼單元M加密的通信文本DVae傳給接收方通信設備30。另外，通信單元25通過傳統通信線路陽，接收從接收方通信設備30傳來的通信文本。在接收的通信文本未被加密的情況下，通信單元25把接收的通信文本DVb提供給信號處理單元(未示出)。另外，在接收的通信文本被加密的情況下，通信單元25把接收的通信文本DVae提供給加密/解碼單元M。於是，解碼的通信文本DVa從加密/解碼單元M被提供給信號處理單元。為了進行量子加密通信，控制器沈控制從光源單元21的光脈衝的發射，或者控制偏振調製單元22對射出的光脈衝進行的偏振調製。另外，控制器沈通過通信單元25或者傳統通信線路陽，與接收方通信設備30進行通信，並進行根據量子加密通信的通信結果生成共用密鑰的處理、通信文本的通信控制、利用共用密鑰的加密或解碼的控制，等等。接收方通信設備30包括光學單元31、受光單元32、密鑰存儲器33、加密/解碼單元；34、通信單元35和控制器36。光學單元31把通過量子通信線路51從傳送方通信設備20供給的偏振調製光脈衝分配給偏振基。受光單元32關於每個偏振基，檢測分配給每個偏振基的光脈衝，並把檢測結果輸出給控制器36。密鑰存儲器33保存控制器36根據受光單元32的檢測結果生成的共用密鑰KYc。 另外，加密/解碼單元34利用保存在密鑰存儲器33中的共用密鑰KYc，利用加密對通信文本DVa加密，或者對加密的通信文本DVae解碼。通信單元35通過傳統通信線路55，把未加密的通信文本DVb或者用加密/解碼單元34加密的通信文本DVae傳給傳送方通信設備20。另外，通信單元35通過傳統通信線路陽，接收從傳送方通信設備20傳來的通信文本。在接收的通信文本未被加密的情況下， 通信單元35把接收的通信文本DVb提供給信號處理單元(未示出)。另外，在接收的通信文本被加密的情況下，通信單元35把接收的通信文本DVae提供給加密/解碼單元34。於是，解碼的通信文本DVa從加密/解碼單元34被提供給信號處理單元。控制器36通過利用受光單元32的檢測結果，經通信單元35或傳統通信線路55與傳送方通信設備20進行通信，並進行根據量子加密通信的通信結果生成共用密鑰的處理、 通信文本的通信控制、和利用共用密鑰的加密或解碼的控制。在具有這種結構的量子加密通信系統中，傳送方通信設備20的控制器沈獨立生成隨機數；所生成的隨機數被提供給偏振調製單元22 ；並進行通過量子通信線路51的光學信號的偏振調製。另外，接收方通信設備30的控制器36根據受光單元32的受光結果生成接收信號，對接收信號進行糾錯、保密增強等，並生成或更新為傳送方通信設備20和接收方通信設備30所共有的共用密鑰。另外，控制器36把共用密鑰保存在密鑰存儲器23和33 中。在第一實施例中，利用包括兩種線偏振和兩種圓偏振的四種偏振態，按照BB84協議，通過利用傳播通過自由空間的光脈衝，進行量子密鑰分配。<2-1.第一實施例的結構〉圖2圖解說明本公開的第一實施例的結構。另外，圖2圖解說明在圖1中例示的光源單元21、偏振調製單元22、光學單元31和受光單元32的結構。傳送方通信設備20的光源單元21是利用諸如雷射二極體或LED之類的半導體發光器件211、使從半導體發光器件211射出的光脈衝準直的透鏡212構成的。在偏振調製單元22中使用把準直光脈衝的偏振態轉換成所述四種偏振態之一的液晶延遲器221。液晶延遲器221被布置成以致使光軸相對於從光源單元21射出的光脈衝的線偏振方向傾斜45°。液晶延遲器221按照控制器沈的控制信號，改變在沿著FAST軸和SLOW軸的偏振分量中出現的相差。另外，在偏振調製單元22中，在從光源單元21射出的光不是線偏振的情況下，或者在儘管所述光是線偏振，但是難以相對於液晶延遲器221的光軸準確地控制偏振方向的情況下，在液晶延遲器221的光脈衝入射面一側布置偏振器225。例如，使偏振器225在液晶延遲器221的光脈衝入射面一側與液晶延遲器221結合，以致液晶延遲器221的光軸被設定成相對於從偏振器225射出的線偏振傾斜45°。按照偏振調製單元22的這種結構，儘管未相對於光源單元21精確地控制偏振調製單元22的位置，不過能夠把偏振方向和液晶延遲器221的光軸設定成期望的角度。接收方通信設備30的光學單元31包括非偏振分束器311、偏振分束器312和315， 和1/4波長板313。非偏振分束器311實現從傳送方通信設備20射出的光脈衝的偏振狀態的無變化的分割。偏振分束器312對用非偏振分束器311分離的光脈衝之一進行偏振分離。就用非偏振分束器311分離的另一個光脈衝的偏振態來說，1/4波長板313把線偏振轉換成圓偏振，和把圓偏振轉換成線偏振。偏振分束器315對偏振態被1/4波長板313改變的光脈衝進行偏振分離。受光單元32包括受光器件321H、321V、321R和321L。受光器件321H檢測用偏振分束器312偏振分離的一個光脈衝，受光器件321V檢測用偏振分束器312偏振分離的另一個光脈衝。類似地，受光器件321R檢測用偏振分束器315偏振分離的一個光脈衝，受光器件321L檢測用偏振分束器315偏振分離的另一個光脈衝。[量子通信操作]就BB84協議的量子通信而論，傳送方通信設備20進行下述操作。控制器沈利用脈衝電流驅動光源單元21的半導體發光器件211，以生成光脈衝。 此時，可取的是每個脈衝的光子的數目為1以下(在來自半導體發光器件211的光脈衝的強度較強的情況下，通過利用諸如ND濾光片之類的光感測單元(圖中未示出)，可把每個脈衝的光子的數目設定成為1以下)。使光源單元21生成的光脈衝入射到偏振調製單元22的液晶延遲器221上。另外， 在安裝偏振器225的情況下，光脈衝通過偏振器225入射到液晶延遲器221上。控制器沈隨機控制液晶延遲器221，以致按照光脈衝的到達計時，在沿著FAST軸和SLOW軸的偏振分量中出現的相差Φ為0°、90°、180°和270°之一。就通過液晶延遲器221的光脈衝的偏振態來說，在相差Φ為0°的情況下，偏振態為入射時的線偏振，而沒有變化；在相差Φ為180°的情況下，偏振態被改變成與入射線偏振垂直的線偏振。在相差Φ為90°或270°的情況下，偏振態被改變成方向彼此不同的圓偏振。另外，在相差Φ為90°或270°的情況下，偏振態是左旋圓偏振和右旋圓偏振，還是右旋圓偏振和左旋圓偏振是按照設置的液晶延遲器的光軸(SLOW軸和FAST軸)的方向決定的。圖3圖解說明用液晶延遲器221進行的偏振調製。圖3中圖解說明的χ方向的線偏振被設定成垂直偏振。另外，液晶延遲器221的FAST軸被設定到相對於χ方向軸傾斜45°的位置。另外，液晶延遲器221的FAST軸用「F」表示，其SLOW軸用「S」表示。這種情況下，如果在沿著液晶延遲器221的FAST軸和SLOW軸的偏振分量中出現的相差Φ被設定成0°，那麼通過液晶延遲器221的光脈衝變成垂直偏振。另外，在相差 Φ被設定成90°的情況下，所述光脈衝變成左旋圓偏振；在相差Φ被設定成180°的情況下，所述光脈衝變成水平偏振；在相差Φ被設定成270°的情況下，所述光脈衝變成右旋圓偏振。按照這種方式，從傳送方通信設備20輸出偏振態由控制器沈隨機控制為這四種偏振態之一的光脈衝。接收方通信設備30允許光學單元31的非偏振分束器311分割從傳送方通信設備 20射出的光脈衝。用非偏振分束器311分離的光脈衝之一入射到偏振分束器312上，被分成偏振分量，從而入射到受光器件321Η或受光器件321V上。用非偏振分束器311分離的另一個光脈衝通過1/4波長板313，從而使偏振態能夠被改變，之後，入射到偏振分束器315上，被分成偏振分量，從而入射到受光器件321R或受光器件321L上。另外，在上面的說明中，儘管公開了分離光脈衝，不過在實際情況下(這裡，假定不存在噪聲)，不必用所有受光器件檢測一個光脈衝。這是因為光脈衝的強度被設定成以致每個脈衝的光子的數目為1以下，從而，光子由四個受光器件之一檢測，以轉換成電信號。表1列舉每個偏振態的受光器件的光脈衝檢測概率。另外，表1列舉每個脈衝的光子的數目為「1」，非偏振分束器311的分離比為P (I-P)(這裡0<ρ<1)、並且既不存在光損失也不存在竊聽的理想情況的值。表權利要求
1.一種進行基於量子加密的通信處理的傳送方量子加密通信設備，包括生成光脈衝的光源單元；利用可變波長板進行光脈衝的偏振調製的偏振調製單元；和驅動可變波長板以把光脈衝的偏振態隨機轉換成多種預定偏振基之一的控制器。
2.按照權利要求1所述的量子加密通信設備，其中液晶延遲器用作可變波長板。
3.按照權利要求2所述的量子加密通信設備，其中在液晶延遲器的光脈衝入射面一側中一體地布置偏振器。
4.按照權利要求3所述的量子加密通信設備，其中在液晶延遲器的出射面一側中布置光軸相對於液晶延遲器的光軸被傾斜45°的第二液晶延遲器。
5.按照權利要求3所述的量子加密通信設備，其中在偏振器和液晶延遲器之間布置強度調製器。
6.按照權利要求5所述的量子加密通信設備，其中強度調製器是用液晶延遲器和偏振器構成的。
7.一種進行基於量子加密的通信處理的傳送方量子加密通信設備的量子加密通信方法，包括允許光源單元生成光脈衝；利用可變波長板進行光脈衝的偏振調製；和允許控制器驅動可變波長板以把光脈衝的偏振態隨機轉換成多種預定偏振基之一。
8.一種進行量子加密的通信處理的量子加密通信系統，其中傳送方的量子加密通信設備包括生成光脈衝的光源單元；利用可變波長板進行光脈衝的偏振調製，並把偏振調製的光脈衝發射到通信線路的偏振調製單元；和驅動可變波長板以把光脈衝的偏振態隨機轉換成多種預定偏振基之一的控制器，其中接收方的量子加密通信設備包括把從傳送方的量子加密通信終端發射出的光脈衝分配給每個偏振基的光學單元；和相對於每個偏振基，檢測分配給每個偏振基的光脈衝的受光單元。
全文摘要
本發明涉及量子加密通信設備，量子加密通信方法和量子加密通信系統。一種進行基於量子加密的通信處理的傳送方量子加密通信設備包括生成光脈衝的光源單元；利用可變波長板進行光脈衝的偏振調製的偏振調製單元；和驅動可變波長板以把光脈衝的偏振態隨機轉換成多種預定偏振基之一的控制器。
文檔編號H04B10/08GK102447557SQ20111029580
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月28日 優先權日2010年10月6日
發明者川元洋平, 浮田昌一, 田中雄 申請人:索尼公司