专利名称：量子密码通信系统和在通信终端处设置平均光子数的方法
技术领域：
本发明涉及基于量子密码执行通信处理的量子密码通信系统，以及在通信终端处设置平均光子数的方法，该方法用于该量子密码通信系统中。
背景技术：
包含RAS密码和EL Gamal密码的公共密钥密码系统以及包含先进加密标准(AES)密码和数据加密标准(DES)密码的公用密钥密码系统通常用于防止任何信息泄漏给第三方。在公共密钥密码系统中，它们的安全性是在对因数分解成素数的解法困难或对离散对数程序的解法困难的基础上被保证的。该安全性容易受到由量子计算机译解它们的代码的影响或未知的威胁。在公用密钥密码系统中，私钥可能对于在先由发送方和接收方共享而言是必要的，因此该私钥通常利用任意公用密钥密码系统来共享。对其的先进的攻击方法可能导致将来将发展有效地译解它们的代码。
已经提出其安全性基于大量信息得到保障的任何绝对破译不出的密码，例如Vemam密码。如Shannon所表明的，这种绝对破译不出的密码具有由发送方和接收方共享的大尺寸的密钥以实现其绝对无法破解，因此难以分配该密钥。
Bennett等人提出量子密码作为其突破方法。量子密码是指通过利用量子力学的原理，私钥可得到共享的密码。采用的该原理是如果即使一次就测量到弱光位置，那么其位置被改变，因此该位置可能是被不太精确地测量的。根据弱信号光的测量方法，这种量子密码的实现方法粗略地分为两类。
一种方法基于单光子探测，且另一种方法基于零差探测。在单光子探测中，产生并探测单光子，这是其特点但也是弱点。在零差探测中，由光电二极管构成的零差探测器探测从激光二极管发出的弱相干光。零差探测能够在室温下进行高效测量，其具有广阔的前景。
日本专利申请公开号NO.2000-101570公开了基于零差探测的量子密码协议。此外，日本专利申请公开号NO.2005-286485公开了即插即用的工具，其可以处理在长距离通信中难以避免的对光纤的偏振的干扰和其光程长度的差异。上面的日本公开号No.2005-286485还公开了一种用于使发送方和接收方同步和反之亦然的方法。
发明内容
在量子密码协议中，通过大量相位调制，由脉冲光携带秘密信息，而量子密码的任何功能可以仅在弱电平中获得，因此对于每个脉冲，信号光的平均光子数几乎为1。如果在发送该秘密信息的发送方的输出处，具有弱电平的信号光的平均光子数得到精确设置，那么通过在接收方测量该信号光之后由该接收方估计平均光子数并且将估计的平均光子数和在发送方的输出处设置的平均光子数相比较，接收方可以探测到任何线路窃听的风险。
期望提供一种基于量子密码执行通信处理的量子密码通信系统，和一种在发送方的通信终端处精确设置平均光子数的方法，该方法用于量子密码通信系统中，通过其能够探测到任何线路窃听的风险。
根据本发明的实施例，提供一种执行基于量子密码进行通信处理的量子密码通信系统，该系统包括第一通信终端、第二通信终端、以及连接所述第一通信终端和第二通信终端的通信路径。所述第一通信终端包括发射脉冲光的光源、第一光分离装置，该装置从由所述光源发射的脉冲光中分离出信号光和参考光。第一通信终端还包括其中插入延迟装置的第一光路、其中未插入延迟装置的第二光路、以及光合成装置，该装置将在所述第一光分离装置中分离出的并穿过所述第一光路的所述信号光和在所述第一光分离装置中分离出的并穿过所述第二光路的参考光合成，以将合成光发送至所述通信路径。该第一通信终端还包括第二光分离装置，该装置从通过所述通信路径从所述第二通信终端返回的脉冲光中分离出信号光和参考光。该第一通信终端还包括第一相位调制器，对于每个脉冲，该相位调制器对在所述第二光分离装置中分离出的并且穿过所述第一光路的参考光进行随机相位调制、以及零差探测器，该探测器根据在所述第二光分离装置中分离出的并且穿过所述第一光路的参考光和在所述第二光分离装置中分离出的并穿过所述第二光路的信号光进行零差探测。
第二通信终端包括光发送装置，该装置通过预定光路将所述信号光和参考光发送至所述通信路径，所述信号光和参考光从所述第一通信终端通过所述通信路径被发送；和衰减穿过所述预定光路的信号光的光衰减器。该第二通信终端还包括第二相位调制器，对于每个脉冲，该调制器对穿过所述预定光路的信号光进行随机相位调制；以及光子数设置装置，该装置将从所述光发送装置发送到所述通信路径的信号光的平均光子数设置为预定值。
在该实施例中，量子密码通信系统具有作为在接收方侧的终端的第一通信终端、作为在发送方侧的终端的第二通信终端、和连接该第一和第二通信终端的通信路径。该通信路径由光纤或自由空间构成。
由第一光分离装置将从该第一通信终端(在接收方侧的终端)的光源发出的脉冲光分为信号光和参考光。将穿过其中插入延迟装置的第一光路的信号光和穿过其中未插入延迟装置的第二光路的参考光合并，并且接着将合并的光发送至通信路径。此时，参考光首先发送至通信路径，并且在预时序间周期逝去之后，信号光接着发送至通信路径。
第二通信终端(在发送方侧的终端)接收穿过通信路径的参考光和信号光。该参考光和信号光经由预定光路返回到通信路径。在该实施例中，光衰减器衰减该穿过预定光路的信号光，因此接着发送至通信路径的被衰减的信号光的强度变弱。另一方面，穿过预定光路的参考光未被衰减，因此接着发送至通信路径的参考光的强度与信号光的强度相比仍然很强。对于每个脉冲，第二相位调制器对穿过所述预定光路的信号光进行随机相位调制。这使得通过大量的相位调制，秘密信息能够被携带在信号光上。
例如，第二光分裂装置将从第一通信终端发送的穿过通信路径的光的一部分分裂，并且第二光探测装置根据来自第二光分裂装置的分裂的输出探测参考光的到达。根据表示参考光的到达的所探测到的输出来控制第二相位调制器和光衰减器的处理开始。这允许构成信号光的每个脉冲以适当的时序被相位调制和衰减。光子数设置装置将再次从预定光路发送到通信路径的信号光的平均光子数设置为预定值。例如，第一探测器探测从第一通信终端发送的经过通信路径的信号光的强度。第二探测器探测在信号光被光衰减器衰减后该信号光的强度。强度估计装置根据第一探测器探测到的强度以及发送至通信路径的信号光的平均光子数的设置值来估计第二探测器的强度值。衰减量引导装置引导光衰减器中的衰减量，使得第二探测器探测到的强度变为在强度估计装置中估计的第二探测器的强度值。
参考光和信号光通过通信路径返回到第一通信终端(在接收方侧的终端)。第二光分离装置从返回的脉冲光中分离出信号光和参考光。如上所述，当信号光和参考光从第一通信终端发送至第二通信终端时，信号光穿过第一光路，且参考光穿过第二光路，而当信号光和参考光从第二通信终端返回至第一通信终端时，参考光穿过第一光路，且信号光穿过第二光路。
对于每个脉冲，第一相位调制器对穿过第一光路的参考光进行随机相位调制。零差探测器根据穿过第一光路的参考光和穿过第二光路的信号光进行零差探测。从由零差探测器探测到的信息中，可获得如上所述的在第二通信终端中的信号光上携带的包含私钥的秘密信息。
例如，第一光分裂装置将从第二通信终端发送的穿过通信路径的参考光的一部分分裂。第一光探测装置根据来自第一光分裂装置的分裂的输出探测参考光的到达。根据所探测到的表示参考光的到达的输出来控制第一相位调制器的处理开始。这使得构成参考光的每个脉冲能够以适当的时序被相位调制。
因此，在该实施例中，在第一和第二通信终端之间，形成往返通信路径。在第一通信终端中，当信号光和参考光返回时，穿过第一和第二光路的信号光和参考光在经过的路径中被替换，使得信号光和参考光穿过彼此相等的距离。这使得能够准确地执行零差探测器的任意干涉测量，从而解决对通信路径内的偏振的任何干扰。
应当注意的是，第一通信终端可包括光子数估计装置，该装置估计从第二通信终端发送至通信路径的信号光的平均光子数。此外，第一通信终端还可包括光子数检验装置，所述光子数检验装置检验在光子数估计装置中的估计的信号光的平均光子数是否与在第二通信终端中的光子数设置装置中的设置的信号光的平均光子数相等。因此，估计信号光的平均光子数并接着检验所估计的信号光的平均光子数是否与所设置的信号光的平均光子数相等使得能够探测到任何窃听。在该实施例中，由于第二通信终端发送至通信路径的信号光的平均光子数设置为预定值，因此通过该检验能够容易地探测到窃听。
根据本发明的另一个实施例，提供一种基于量子密码执行通信处理的量子密码通信系统。该量子密码通信系统具有第一通信终端、第二通信终端、以及连接所述第一通信终端和第二通信终端的通信路径。
第一通信终端包括第一光分离装置，该装置从由第二通信终端发送的通过通信路径的光中分离出信号光和参考光；第一光路；第二光路，其具有短于第一光路的长度的长度。第一通信终端还包括第一相位调制器，对于每个脉冲，该相位调制器对在第一光分离装置中分离出的并且穿过第一光路的参考光进行随机相位调制；以及零差探测器，该探测器根据在第一光分离装置中分离出的并且穿过第一光路的参考光和在第一光分离装置中分离出的并穿过第二光路的信号光进行零差探测。
第二通信终端包括发射脉冲光的光源；和第二光分离装置，该装置从由光源发出的脉冲光中分离出信号光和参考光。第二通信终端还包括第三光路，该光路具有对应于第一通信终端的第一光路的光程长度的光程长度；第四光路，该光路具有对应于第一通信终端的第二光路的光程长度的光程长度；和衰减穿过第三光路的信号光的光衰减器。第二通信终端还包括；第二相位调制器，对于每个脉冲，该调制器对穿过第三光路的信号光进行随机相位调制；和光发送装置，该装置将在第二光分离装置中分离出的并穿过第三光路的所述信号光和在第二光分离装置中分离出的并穿过第四光路的参考光合成，以将合成光发送至通信路径。第二通信终端还包括光子数设置装置，该装置将从光发送装置发送到通信路径的信号光的平均光子数设置为预定值。
在此实施例中，量子密码通信系统具有作为在接收方侧的终端的第一通信终端、作为在发送方侧的终端的第二通信终端、和连接该第一和第二通信终端的通信路径。该通信路径由光纤或自由空间构成。
由第二光分离装置将从该第二通信终端(在发送方侧的终端)的光源发出的脉冲光分为信号光和参考光。光衰减器衰减通过第三光路的信号光，使得发送至通信路径的信号光的强度变弱。另一方面，穿过第四光路的参考光未被衰减，因此接着发送至通信路径的参考光的强度与信号光的强度相比仍然很强。对于每个脉冲，第二相位调制器对穿过第三光路的信号光进行随机相位调制。这使得秘密信息能够由于大量的相位调制而被携带在信号光上。将穿过第三光路的信号光和穿过第四光路的参考光合并，并接着将合并的光发送至通信路径。
光子数设置装置将发送到通信路径的信号光的平均光子数设置为预定值。例如，探测器探测伴随其衰减处理从光衰减器泄漏的光的强度。衰减量引导装置根据该探测器探测到的强度以及发送至所述通信路径的信号光的平均光子数的设置值来引导在光衰减器中的衰减量。
对于第一通信终端(在接收方侧的终端)经过通信路径接收参考光和信号光。第一光分离装置分离信号光和参考光。信号光穿过第二光路，该第二光路具有对应于第二通信终端的第四光路的光程长度的光程长度。参考光穿过第一光路，该第一光路具有对应于第二通信终端的第三光路的光程长度的光程长度。
对于每个脉冲，第一相位调制器对穿过第一光路的参考光进行随机相位调制。然后零差探测器根据穿过第一光路的参考光和穿过第二光路的信号光进行零差探测。从由零差探测器探测到的信息中，可获得如上所述的在第二通信终端中的信号光上携带的包含私钥的秘密信息。
应当注意的是，第一通信终端可包括光子数估计装置，该装置估计从第二通信终端发送至通信路径的信号光的平均光子数。此外，第一通信终端可包括光子数检验装置，所述光子数检验装置检验在光子数估计装置中的估计的信号光的平均光子数是否与在第二通信终端中的光子数设置装置中的设置的信号光的平均光子数相等。因此，估计信号光的平均光子数并接着检验所估计的信号光的平均光子数是否与所设置的信号光的平均光子数相等使得能够探测到任何窃听。在该实施例中，由于第二通信终端发送至通信路径的信号光的平均光子数设置为预定值，因此通过该检验能够容易地探测到窃听。
根据本发明的实施例，发送方侧的终端将具有其比较强的强度的参考光以及具有其弱强度的信号光发送到接收方侧的终端，对其进行任意相位调制。接收方侧的终端还对参考光进行随机相位调制，并且接着根据参考光和信号光执行零差探测。发送方侧的终端具有设置部，该设置部将在发送方侧的终端的输出处的平均光子数设置为预定值，使得能够精确地设置在发送方侧的终端的输出处的信号光的平均光子数。这使得能够容易地进行任何窃听探测。
本说明书的结束部分特别指出并直接要求本发明的主题。但是，通过参照附图阅读本说明书的其余部分，本领域技术人员将最佳地理解本发明的组织和操作方法以及其进一步的优点和目的，在附图中相似的参考标记表示相似的元件。
图1是用于示出根据本发明的量子密码通信系统100的实施例的结构的框图；图2A是用于示出信息通信处理(No.1)的图，以及图2B是用于描述该处理的表格；图3A是用于示出信息通信处理(No.2)的图，以及图3B是用于描述该处理的表格；图4A是用于示出信息通信处理(No.3)的图，以及图4B是用于描述该处理的表格；图5是用于示出平均光子数设置过程、平均光子数估计过程和平均光子数检验过程的流程图；以及图6是用于示出根据本发明的量子密码通信系统200的另一个实施例的结构的框图。
具体实施例方式
下面将参照附图描述本发明的实施例。图1示出根据本发明的量子密码通信系统100的实施例的结构。
量子密码通信系统100具有作为第一通信终端的发送方侧终端101(下文中称为“发送方101”)、作为第二通信终端的接收方侧终端102(下文中称为“接收方102”)、以及连接发送方101和接收方102的通信路径103。在量子密码通信系统100中，发送方101通过通信路径103向接收方102发送任意秘密信息。该秘密信息包括在公用密钥密码系统中采用的共享的公用密钥。
接收方102具有光源110、循环器112、具有1∶1分流比的分束器114、相位调制器116、延迟装置118、分束器120、偏振分束器122、探测器124，126、光开关128、可变衰减器130、零差探测器132、开关电路134、控制器136、和信号源138。
发送方101具有分束器150、延迟装置152、可变衰减器154、相位调制器156、光开关158、法拉第镜(Faraday mirror)160、探测器162，164、开关电路166、控制器168、和信号源170。
通信路径103包括光纤或自由空间。当采用自由空间作为通信路径103时，可以通过在通信路径103中采用任意的望远镜来使得光束的直径变得更大以抑制光衍射的不利影响。
下面将根据对其施加量子密码的通信处理的操作顺序描述量子密码通信系统100的每个部件的处理细节。
在量子密码通信系统100中，首先，接收方102通过通信路径103向发送方101发送从接收方102中的光源110发射的脉冲光。接着，接收方接收通过通信路径103从发送方101返回的数据。将基于这种处理顺序描述下面的操作。
接收方102中的循环器112执行光路，使得从光源110发出的光能够输出至分束器114，并且从分束器114返回的光能够输出至零差探测器132。
当分束器114通过接收方102中的循环器112接收从光源110发出的脉冲光时，分束器114将所接收到的脉冲光分裂成作为信号光的脉冲光P1和作为参考光的脉冲光P2。脉冲光P1从分束器114经过相位调制器116、延迟装置118和分束器120传播到偏振分束器122。脉冲光P2从分束器114经过光开关128传播到偏振分束器122。在图1中，实线表示从接收方102传播至发送方101的脉冲光P1、P2，以及虚线表示从发送方101传播回到接收方102的脉冲光P1、P2。
从分束器114延伸至偏振分束器122的这两个路径由偏振保持纤维构成，其每一个连接至每个部件。当脉冲光P1、P2在偏振分束器122中被合成并被输出至通信路径103时，脉冲光P1、P2相互正交以形成线偏振。
延迟装置118延迟脉冲光P1。这使得脉冲光P1传播到通信路径103中，并且与脉冲光P2相比，该脉冲光P1被延迟。选择脉冲光P1、P2的时间差，使得其能够比从光源110发出的脉冲光的相干时间长得多，并且其能够比接收方102中的相位调制器116的响应时间或相位调制器156和可变衰减器154的响应时间长。
发送方101通过通信路径103接收来自接收方102的脉冲光P1、P2。在发送方101中，分束器150通过通信路径103接收脉冲光P1、P2。分束器150将所接收到的脉冲光P1、P2分裂成两部分多数部分和少数部分，并将该多数部分输出至延迟装置152，且仅将该少数部分输出至探测器164。
分束器150的分流比可设为使得大多数光能够传播到延迟装置152的一侧中，但是探测器164能够探测到脉冲光P2的到达。例如，在延迟装置152的该侧和探测器164的该侧之间分束器150的分流比被设为9∶1分流比。
探测器164用于监测脉冲光P2的到达。探测器164包括光电二极管或由放大器组合的雪崩光电二极管。对于光电二极管或雪崩光电二极管，在脉冲光的波长位于可见范围或近红外范围内的情况下可采用硅Si。可替换地，在脉冲光的波长位于1.3μm-1.6μm的范围内的情况下可采用锗Ge或InGaAs。应当注意的是，其它探测器也配置为类似于探测器164的结构，其将不再被描述。
探测器164通过开关电路166将其探测到的输出提供至控制器168和信号源170。尽管在图1中可变衰减器154比相位调制器156更接近通信路径103，但是相位调制器156也可以比可变衰减器154更接近通信路径103。
控制器168控制相位调制器156和可变衰减器154。此时，可变衰减器154对脉冲光P2具有高透射系数，但是相位调制器156对其不起作用。另一方面，可变衰减器154对脉冲光P1具有大量衰减和低透射系数，并且然后相位调制器156对其执行任何适当的相位调制处理。
控制器168通过基于来自探测器164的探测输出获知脉冲光P2(参考光)的到达，也控制对相位调制器156中的脉冲光P1(信号光)开始的相位调制处理的时序。这使得能够以适当的时序对构成脉冲光P1(信号光)的每个脉冲执行相位调制器156中的相位调制处理。
例如，在执行采用四量子态的量子密码的情况下，将0度(0弧度)、90度(π/2弧度)、180度(π弧度)、和270度(3π/2弧度)的相位调制随机施加到每个脉冲上。可变衰减器可由声光元件或LiNbO3强度调制器构成。相位调制器156可由LiNbO3相位调制器构成。
发送方101中的法拉第镜160反射由发送方101从接收方102通过通信路径103接收的脉冲光P1、P2，并且被反射的光返回接收方102。因此，脉冲光P1、P2两次往返经过发送方101中的可变衰减器154和相位调制器156。设置可变衰减器154中的衰减量，使得对于从发送方101返回接收方102的脉冲光P1的每个脉冲而言，平均光子数能够变为大约一个(one item)。
因此，由于任何通信安全性在量子密码通信系统中都被保持，因此作为信号光的脉冲光P1变弱。在该实施例中，发送方101具有光子数设置装置，该装置将发送到通信路径103的信号光的平均光子数设置为预定值。分束器150、光开关158、探测器162、164和控制器168构成该光子数设置装置。该光子数设置装置可包括可变衰减器154。后面将描述如何通过光子数设置装置设置脉冲光P1的平均光子数。
此外，选择从发送方101返回接收方102的脉冲光P2的每个脉冲的平均光子数，使得接收方102中的零差探测器132的信噪(S/N)比能够得到优化。脉冲光P2的典型强度表示对于其每个脉冲约106个平均光子数。脉冲光P1与脉冲光P2的透射系数的典型相对比约为10-6∶1。
因此，这种零差探测方法是用于测量叠加至相对强的参考光(对于每个脉冲，其具有约106个典型的平均光子数)的具有弱信号光(对于每个脉冲，其具有约一个平均光子数)的信号光的状态的方法。在此实施例中，从发送方101返回至接收方102的脉冲光P1对应于对于其每个脉冲具有约一个平均光子数的信号光。从发送方101返回至接收方102的脉冲光P2对应于对于其每个脉冲具有约106个平均光子数的参考光。
发送方101中的相位调制器156和可变衰减器154都给出不依赖于从通信路径103到达发送方101的脉冲光的任何偏振状态的相位调制和衰减。反射脉冲光P1、P2的法拉第镜能够自动地满足这一点。如果声光元件用作可变衰减器154，那么其具有并非几乎依赖于脉冲光的偏振状态的透射系数。在这种情况下，对于每一次，可变衰减器154对脉冲光P1的透射系数被设为约10-3。
接收方102通过通信路径103接收被衰减的脉冲光，脉冲光P1、和未被衰减的脉冲光，脉冲光P2，两者都在发送方101中通过上面的处理来处理。被衰减的脉冲光P1对应于信号光，且未被衰减的脉冲光P2对应于参考光。
偏振分束器122接收由接收方102从发送方101通过通信路径103接收的脉冲光P1(信号光)和脉冲光P2(参考光)，并将所接收到的光分裂。此时，脉冲光P1输出至通过光开关128连接至分束器114的短路径。脉冲光P2输出至通过分束器120、延迟装置118和相位调制器116连接至分束器114的长路径。在图1中，虚线分别表示脉冲光P1(信号光)和脉冲光P2(参考光)。
由于法拉第镜反射发送方101中的脉冲光P1、P2，因此返回到接收方102的偏振分束器122的脉冲光P1、P2是线偏振的，使得它们的偏振面能够分别相对于从接收方102发送的脉冲光P1、P2旋转90度。
基于这种偏振，偏振分束器122将由接收方102接收的脉冲光P1输出至短路径以将被偏振的脉冲光P1通过光开关128传送至分束器114。偏振分束器122也将由接收方102接收的脉冲光P2输出至长路径以将被偏振的脉冲光P2通过分束器120、延迟装置118和相位调制器116传送至分束器114。
相对于脉冲光P1、P2，当脉冲光P1、P2从接收方102发送至发送方101时，并且当脉冲光P1、P2从发送方101返回至接收方102时，它们在接收方102中的偏振分束器122和分束器114之间的经过路径被互换。
在此实施例中，由于在发送方101中通过衰减处理被衰减的弱脉冲光P1(信号光)穿过不存在额外的光学元件的短路径，因此该量子密码通信系统100能够在返回到接收方102的脉冲光P1中具有较小的光损耗。
分束器120将对于每个脉冲具有约106个典型平均光子数的脉冲光P2(参考光)分裂成其两部分传播至延迟装置118的脉冲光部分和传播至探测器126的脉冲光部分。将分束器120的典型分流比设置为9∶1，使得大部分脉冲光能够传播至延迟装置118的一侧。
接收方102的探测器126具有与发送方101的探测器164相同的结构。分束器120的分流比可设置为使得大部分光能够传播到延迟装置118的一侧中，而探测器126能够探测脉冲光P2的到达。
探测器126通过开关电路134将其输出提供至控制器136和信号源138。控制器136控制相位调制器116并控制从零差探测器132输出的读取时序。
控制器136通过基于来自探测器126的探测输出获知脉冲光P2(参考光)的到达，也控制对相位调制器116中的脉冲光P2(参考光)开始的相位调制处理的时序。这使得能够以适当的时序对构成脉冲光P2(参考光)的每个脉冲执行相位调制器116中的相位调制处理。
对于每个脉冲，相位调制器116也对穿过延迟装置118的脉冲光P2执行任何随机相位调制。在实施采用四量子态的量子密码的情况下，将0度(0弧度)或90度(π/2弧度)的相位调制随机施加到每个脉冲上。
在脉冲光P1从接收方102发送至发送方101的路径中，脉冲光P1穿过长路径，在该长路径中，脉冲光P1通过相位调制器116、延迟装置11 8和分束器120从分束器114传播至偏振分束器122，而在脉冲光P1从发送方101返回至接收方102的路径中，脉冲光P1穿过短路径，在该短路径中，脉冲光P1通过光开关128从偏振分束器122传播至分束器114。
在脉冲光P2从接收方102发送至发送方101的路径中，脉冲光P2穿过短路径，在该短路径中，脉冲光P2通过光开关128从分束器114传播至偏振分束器122，而在脉冲光P2从发送方101返回至接收方102的路径中，脉冲光P2穿过长路径，在该长路径中，脉冲光P2通过分束器122、延迟装置118和相位调制器116从偏振分束器122传播至分束器114。
因此，脉冲光P1、P2在接收方102和发送方101的往返过程中穿过具有彼此完全相同距离的路径，使得脉冲光P1(信号光)和脉冲光P2(参考光)能够同时到达分束器114。
脉冲光P1是具有量子力学性质的信号光，并且脉冲光P2是具有比脉冲光P1的强度更大的强度的参考光(也称为“局部振荡光”)。在此实施例中，脉冲光P1用作信号光，且脉冲光P2用作参考光，使得零差探测对脉冲光P1执行。来自分束器114的两个输出之一通过可变衰减器130被提供至零差探测器132，而另一个通过循环器112被提供至零差探测器132。
在零差探测器132的两个输入部处，可分别安装光电二极管。作为光电二极管，在脉冲光的波长位于可见范围或近红外范围内的情况下可采用硅Si。可替换地，在脉冲光的波长位于1.3μm-1.6μm的范围内的情况下可采用锗Ge或InGaAs。具有高增益和低噪声特性的放大器接收两个光电二极管的输出。在通过采用脉冲光P2(参考光)的强度、放大器的增益等标准化放大器的输出时，可获得脉冲光P1(信号光)的正交相位幅度。从由零差探测器132探测到的这些信息中，可获得任何秘密信息，例如公用密钥。
在此实施例中，接收方102可具有估计从发送方101发送至通信路径103的脉冲光P1(信号光)的平均光子数的光子数估计装置。接收方102还可具有光子数检验装置，其用于检验在光子数估计装置中所估计的脉冲光P1的平均光子数是否与在发送方101中的光子数设置装置中的设置的脉冲光P1的平均光子数相等。稍后将描述这些光子数估计装置和光子数检验装置。
下面将参考附图2-4通过发送方101和接收方102之间的任何通信来描述秘密信息的共享序列的轮廓(outline)。
如图2A所示，接收方102首先发送脉冲光P1、P2至发送方101，接着发送方101将脉冲光P1、P2发送回接收方102。此时，发送方101的相位调制器156对从接收方102接收的脉冲光P1、P2中的脉冲光P1(信号光)进行0弧度、π/2弧度、π弧度、和3π/2弧度中的任何一个的相位调制。在图2B的表格中，行(b)示出发送方的这种相位调制序列。
图2B的表格的行(b)中示出的发送方101对脉冲光P1进行的相位调制序列可以被随机选择。可替换地，在预先设置图2B的表格的行(a)中所示的选择位之后，可进行对应于该选择位的任何调制。应当注意的是，0位对应于0弧度或π/2弧度的相位调制光，以及1位对应于π弧度或3π/2弧度的相位调制光。
可变衰减器154(参见图1)将这种相位调制的脉冲光P1作为衰减后的信号光发送回接收方102。脉冲光P2(参考光)在没有被衰减的情况下也被发送回接收方。从发送方101发送回接收方102的脉冲光P1是弱信号光(对于每个脉冲其具有约一个平均光子数)，并且从发送方101发送回接收方102的脉冲光P2是相对强的参考光(对于每个脉冲其具有106个典型平均光子数)。
当接收方102接收从发送方101发送的脉冲光P1(信号光)和脉冲光P2(参考光)时，相位调制器116从例如0弧度和π/2弧度中随机选择任何一个，以对脉冲光P2(参考光)执行所选择的相位调制，并且零差探测器132测量干涉现象。
例如，当接收方102的相位调制器116对其执行在图2B的表格的行(c)中所示的相位调制时，零差探测器132可探测图2B的表格的行(d)中所示的位。相对于基于干涉由验证位确定的数据，0位和1位表示基于干涉的位验证被成功实施，并且字符x表示基于干涉的位验证失败。由在发送方101和接收方102中进行的相位调制处理的组合来确定位验证是否被成功实施。
例如，作为关于图2B的表格的行(d)中所示的基于干涉的验证位的数据，当相位调制处理的组合的组合满足预定条件时，只可以探测到0位和1位。
接着接收方102告知发送方101关于在接收方102中对其施加的相位调制序列的信息，也就是，图3B的表格的行(c)中所示的信息序列。在图3A中将这样的信息序列表示为
。
发送方101产生关于表格中的列的信息，其中适用于位探测的合适的调制被成功实施，并且适用于位探测的不合适的调制被实施并将其发送至接收方102。也就是，发送方101将图3B的表格的行(e)中所示的信息序列发送至接收方102。在图3A中将这样的信息序列表示为[o，x，o，x，o，o…]。
应当注意的是，表示为
的信息序列可通过公共通信路径从接收方102发送至发送方101，并且表示为[o，x，o，x，o，o…]的信息序列也可通过公共通信路径103从发送方101发送至接收方102。
如图4所示，接收方102告知发送方101所探测到的位信息的序列。这样的位信息序列在图4A中表示为
。发送方101仅告知接收方102关于被相位调制并且能够被接收方102探测的位序列的信息。这样的位序列在图4A中表示为
。这些位只是从图4B的表格的行(a)中所示的选择位中选择的并且位于图4B的表格的行(e)中的有圆圈的列中的位序列。也可从发送方101通过公共通信路径将它们发送至接收方102，并且反之亦然。
如果在通信路径103中没有通信数据被窃取(tap)，那么在图4A中所示的位的相互通信中所有被验证的位都彼此一致。如果在通信路径103中通信数据被窃取，那么在图4A中所示的位的相互通信中这些被验证的位彼此不一致，因此在相互通信的位中出现任何差异。这是由于在通信路径103中的窃取使得它们的调制情况发生改变。如果在通信路径103中没有通信数据被窃取，那么在相互通信的位中不会出现任何差异。
这种数据通信使得能够共享秘密信息，例如，公用密钥密码系统中的公用密钥。应当注意的是，如果n位的公用密钥被共享，那么在确认参考图4A、4B描述的相互通信的位彼此一致之后，根据已经预先相互通信的任意公共位选择处理，从由上面的处理共享的m位中选择n位(m＞n)的公用密钥。
根据图1中所示的实施例，在发送方和接收方之间形成通信路径，在该通信路径中，接收方102发送信息至发送方，并且反之亦然；以及用作参考光(局部振荡光)的脉冲光P2的传播距离等于用作信号光的脉冲光P1的传播距离，因此用作参考光的脉冲光P2到达接收方102中的分束器114的时序与用作信号光的脉冲光P1到达分束器114的时序完全相同。这使得零差探测器132中的任何干涉测量能够被准确执行。
具体而言，脉冲光P1、P2被传播通过分束器114和偏振分束器122之间的光路，使得当脉冲光P1、P2从接收方102发送至发送方101且反之亦然时，脉冲光P1、P2能够传播通过被替代的光路。这使得从接收方102发送至发送方101且反之亦然的脉冲光P1的传播距离等于从接收方102发送至发送方101且反之亦然的脉冲光P2的传播距离，从而使得在零差探测器132中的任何干涉测量能够被准确执行。
接着，下面将描述在发送方101中提供的光子数设置装置，以及在接收方102中提供的光子数估计装置和光子数检验装置的细节。
图5是流程图，其用于示出在光子数设置装置中的信号光的平均光子数设置、在光子数估计装置中的信号光的平均光子数估计、以及在光子数检验装置中的信号光的平均光子数检验的过程。在量子密码通信系统100中，接收方102的控制器136和发送方101的控制器168控制如该流程图中所示的这种过程。
(1)下面将描述信号光的平均光子数设置的过程。
首先查找信号光的平均光子数，使得该平均光子数在发送方101的输出处，也就是在信号光从分束器150输入到通信路径103的点处，能够变为预定值。根据量子密钥分配协议，脉冲光P1(信号光)通过接收方102的分束器114、相位调制器116、延迟装置118、分束器120、偏振分束器122经由通信路径103从接收方102的分束器114传播至发送方101。此时，为了允许发送方101只接收来自通信路径103的脉冲光P1，断开接收方102的光开关128以拦截脉冲光P2(参考光)。
接着，发送方101的探测器164探测脉冲光P1的强度(功率)。此时，探测器164构成第一探测器。该探测到的强度值通过开关电路166被提供至控制器168。控制器168基于探测器164的所探测到的强度值和将从发送方101发送至通信路径103的脉冲光P1(信号光)的平均光子数的设置值来估计发送方101的探测器162的强度值。此时，控制器168构成强度估计装置。
此外，光开关158被切换到探测器162的一侧。在脉冲光在可变衰减器154中得到衰减之后，探测器162探测脉冲光P1(信号光)的强度。将由探测器162探测到的强度值提供至控制器168。此时，探测器162构成第二探测器。控制器168控制可变衰减器154以确定其衰减量，使得探测器162的探测到的强度值能够变为上面估计的探测器162的强度值。此时，控制器168构成衰减量引导装置。
应当注意的是，如果可变衰减器154的衰减是稳定的，并且当脉冲光以最大水平被透射时的衰减是已知的，那么通过采用探测器162和可变衰减器154，可以如同利用探测器164所执行的那样探测脉冲光P1(信号光)的强度。在这种情况下，当该脉冲光在可变衰减器154中以最大水平被透射时，由探测器162探测到的脉冲光P1的强度值被由探测器164探测到的强度值替代。此时，除了第二探测器以外，探测器162还构成第一探测器。
根据上面的过程，能够将脉冲光P1(信号光)的平均光子数设置在预定值，例如，在发送方101的输出处，也就是在脉冲光P1从分束器150传播至通信路径103的点处，对于每个脉冲平均光子数为大约一个。
(2)下面将描述信号光的平均光子数估计以及信号光的平均光子数检验的过程。
首先估计从发送方101发送至通信路径103的脉冲光P1(信号光)的平均光子数。检验该估计的平均光子数和已经在发送方101中被设置的脉冲光P1(信号光)的设置的平均光子数，使得信号光P1的估计的平均光子数能够与该信号光的设置的平均光子数相等。这允许探测到窃听。
基于零差探测器132的输出和每个参数值，首先估计脉冲光P1(信号光)的平均光子数。也就是，接收方102中的控制器136基于下面的表达式(1)来估计从发送方101发送至通信路径103的脉冲光P1(信号光)的平均光子数。
N0-N180＝4*V*(S*L*E*L0)…(1)其中，N0、N180分别是当相位是0度和180度时的零差探测器132的输出，V是清晰度(articulation)，S是信号光的平均光子数，L是在发送方101的分束器150和接收方102的零差探测器132之间的路径中的光损耗，E是量子效率，以及L0是参考光的平均光子数。
该估计值可用作探测窃听的参考值。此时，控制器136构成光子数估计装置。
如图5所示，在发送方101发送任何秘密信息到接收方102之前，例如量子密码通信，执行测量参考光的平均光子数L0、光损耗L和清晰度V。
通过采用只接收脉冲光P2(参考光)的探测器126来进行参考光的平均光子数L0的测量。通过开关电路134将探测器126的探测的强度值提供至控制器136。控制器136基于由探测器126探测的强度值估计在零差探测器132处的参考光的平均光子数。
光损耗L的测量将按照下述执行在光开关128断开的情况下，通过由探测器124、164探测脉冲光P1(信号光)的强度，可计算在不稳定的通信路径103中的损耗。因为除通信路径之外的光学元件被估计是稳定的，所以基于在上面计算的通信路径103中的损耗和其它光学元件中的损耗来计算光损耗L。应当注意的是，如果可变衰减器154和延迟装置152是稳定的，那么代替探测器164，可采用探测器162来探测脉冲光P1(信号光)的强度。
清晰度V的测量将按照下述执行首先将可变衰减器130、154设置到它们的最小透射，并将光开关158切换到探测器162的一侧以停止法拉第镜160的反射。在这种情况下，读出零差探测器132的输出R0。衰减器154将其衰减改变到透射系数，使得零差探测器132不溢出，并且光开关158被切换到法拉第镜160的一侧。
相位调制器116、156在从0度至360度的相位范围内调制脉冲光，并且零差探测器132的输出在每个调制量处被读出。根据下面的表达式来计算清晰度VV＝(R1-R2)/(R1+R2-2×R0)其中R1是最大值，且R2是最小值。
利用在执行量子密码通信(量子密钥分配协议)之后测量的参考光的平均光子数LO、测量的光损耗L、以及测量的清晰度V，接收方102的控制器136根据上面的表达式(1)估计信号光的平均光子数S。此时，使用当执行量子密码通信时并且相位调制量为0度和180度时获得的零差探测器132的输出作为N0、N180。
接收方102的控制器136检验从发送方101发送到通信路径103的脉冲光P1(信号光)的平均光子数的设置值是否与脉冲光P1(信号光)的估计的平均光子数相等。这种检验允许探测到窃听。此时，控制器136构成光子数检验装置。
因此，根据图1所示的量子密码通信系统100，发送方101具有光子数设置装置，该装置在其输出处将脉冲光P1(信号光)的平均光子数设置为预定值，例如，对于每个脉冲平均光子数为大约一个。该光子数设置装置能够在发送方101的输出处精确地设置脉冲光P1的平均光子数。检验脉冲光P1的设置的平均光子数是否与在接收方102中估计的脉冲光P1的平均光子数相等使得能够容易地探测到窃听。
应当注意的是，在图1所示的量子密码通信系统100中，探测器126、164已经将光信号转换为电信号，并且开关电路134、166分别使得电信号分支成两路，例如，控制器136和信号源138以及控制器168和信号源170。但是，本发明不限于这种结构。探测器126、164可被光开关替代并且这些探测器分别设置在控制器和信号源之前，使得两个光开关的输出可连接至每个探测器。
下面将描述根据本发明的量子密码通信系统200的另一实施例。图6示出量子密码通信系统200的结构。
量子密码通信系统200具有作为第二通信终端的发送方侧终端201(下文中称为“发送方201”)、作为第一通信终端的接收方侧终端202(下文中称为“接收方202”)、以及连接发送方201和接收方202的由例如光纤构成的通信路径203。在量子密码通信系统200中，发送方201通过通信路径203向接收方202发送任意秘密信息。该秘密信息包括在公用密钥密码系统中采用的共享的公用密钥。
发送方201具有光源210、分束器212、反射镜214、半波长板216、可变衰减器218、探测器/控制器220、相位调制器222、反射镜224、和偏振分束器226。
接收方202具有偏振元件250、偏振分束器252、分束器254、探测器/控制器256、相位调制器258、半波长板260、反射镜262、分束器264、可变衰减器266、光电二极管268、270、放大器/电压测量装置272、和减法器274。
在此量子密码通信系统200中，进行从发送方201到接收方202的一个方向的通信并通过利用光的偏振，在分开的光路上控制信号光和参考光。借助设置在信号光所通过的光路上的可变衰减器218，通过分离一部分信号光来获得发送方201的同步信号。在接收方202中，分束器254设置在参考光所通过的光路上，使得一部分参考光可用于接收方202的同步信号。
下面将根据对其施加量子密码的其通信处理的操作顺序描述量子密码通信系统200的每个部件的处理细节。
在量子密码通信系统200中，发送方201中的分束器212接收来自激光光源210的脉冲光，并将接收到的脉冲光分裂成作为信号光的脉冲光P1和作为参考光的脉冲光P2。脉冲光P1(信号光)经过第三光路传播到偏振分束器226。沿着第三光路，依次布置反射镜214、半波长板216、可变衰减器218、相位调制器222和反射镜224。
半波长板216能够使所接收的脉冲光P1的偏振面只旋转90度。可变衰减器218衰减所接收的脉冲光P1的强度。可变衰减器218对应于图1中所示的量子密码通信系统100的发送方101中的可变衰减器154。可变衰减器218中的衰减量被设置为使得平均光子数能够对于从发送方201发送至通信路径203的脉冲光P1的每个脉冲变为大约一个。
另一方面，对于从发送方201发送至接收方202的脉冲光P2的每个脉冲的平均光子数被设置为使得接收方202中的零差探测器的信噪(S/N)比能够被优化。脉冲光P2的典型强度表示对于其每个脉冲的约106个平均光子数。
相位调制器222对应于图1中所示的量子密码通信系统100的发送方101中的相位调制器156。例如，在实施采用四量子态的量子密码的情况下，将0度(0弧度)、90度(π/2弧度)、180度(π弧度)和270度(3π/2弧度)的相位调制随机施加到每个脉冲上。
伴随其衰减处理从可变衰减器218泄漏的光被提供至探测脉冲光P1的到达的探测器/控制器220。接着探测器/控制器220根据该探测结果控制对相位调制器222中的脉冲光P1(信号光)的相位调制的任何处理开始。这使得在相位调制器222中对构成脉冲光P1(信号光)的每个脉冲的相位调制能够以其正确的时序被执行。
如上所述，这是因为利用可变衰减器218衰减将变弱的脉冲光P1(信号光)的量子密码通信系统，任何通信安全性都得到保持。在此实施例中，发送方201具有将其平均光子数设置为预定值的光子数设置装置。可变衰减器218和探测器/控制器220构成光子数设置装置。稍后将说明如何通过光子数设置装置来设置脉冲光P1的平均光子数。
由分束器212分裂的脉冲光P2(参考光)经过比第三光路短的第四光路传播到偏振分束器226。该偏振分束器226将脉冲光P1(信号光)和脉冲光P2(参考光)合成并将合成的脉冲光P1和脉冲光P2发送至通信路径203。这样的脉冲光P1和脉冲光P2具有彼此正交并在时间上相互分离的偏振面。此时，该偏振分束器226构成光发送装置。
接收方203接收从发送方201发送至接收方202的脉冲光P1(信号光)和脉冲光P2(参考光)。偏振元件250设置在通信路径203上的接收方202的一侧处。偏振元件250用于校正在光纤通信期间的偏振中的任何干扰。偏振分束器252将从发送方201发送的通过通信路径203的合成的脉冲光分裂成脉冲光P1(信号光)和脉冲光P2(参考光)。
脉冲光P1(信号光)经过第二光路传播至分束器264，该第二光路具有对应于上面的发送方201的第四光路的光程的光程。脉冲光P2(参考光)经过第一光路传播至分束器264，该第一光路具有对应于上面的发送方201的第三光路的光程的光程。
沿着第一光路，依次设置分束器254、相位调制器258、半波长板260和反射镜262。分束器254将接收到的脉冲光P2(参考光)分裂成传播至相位调制器258的脉冲光和传播至探测器/控制器256的脉冲光。在相位调制器258的该侧和探测器/控制器256的该侧之间，分束器254的典型分流比被设置为9∶1分流比。因此，该脉冲光被设置为使得其大部分被传播到相位调制器258的该侧。
探测器/控制器256控制相位调制器258和放大器/电压测量装置272。探测器/控制器256能够根据所探测到的在分束器254中分裂的脉冲光的输出来探测脉冲光P2(参考光)的到达，并控制对相位调制器258中的脉冲光P2(参考光)的相位调制的处理开始。这使得在相位调制器258中对构成脉冲光P2(参考光)的每个脉冲的相位调制能够以其正确的时序被执行。
相位调制器258对应于图1中所示的量子密码通信系统100的接收方102中的相位调制器116，并且对于每个脉冲对脉冲光P2执行任意的随机相位调制。在实施采用四量子态的量子密码的情况下，将0度(0弧度)或90度(π/2弧度)的相位调制随机施加到每个脉冲上。
半波长板260仅将脉冲光P2(参考光)的偏振面旋转了90度。如上所述，在发送方201中，脉冲光P1(信号光)传播至较长的第三光路并具有借助半波长板216被旋转了90度的偏振面，而脉冲光P2(参考光)传播至较短的第四光路，而在接收方202中，脉冲光P1(信号光)传播至较短的第二光路，而脉冲光P2(参考光)传播至较长的第一光路并具有借助半波长板260被旋转了90度的偏振面。这使得脉冲光P1、P2能够以相同的时序到达分束器264并具有相同的偏振方向。
分束器264的两个输出被提供至零差探测器。分束器264的输出之一被提供至构成零差探测器的光电二极管270，而所述输出中的另一个也通过可变衰减器266被提供至构成零差探测器的光电二极管268。
减法器274将从光电二极管270的输出中减去光电二极管268的输出以提供差信号。放大器/电压测量装置272放大该差信号并测量其电压。放大器/电压测量装置272的输出是零差探测器的探测信息，由其可获得任何通信秘密信息，例如共享的密钥。
在此实施例中，接收方202具有估计从发送方201发送至通信路径203的脉冲光P1(信号光)的平均光子数的光子数估计装置，以及检验在光子数估计装置中估计的脉冲光P1的平均光子数是否与在发送方201中的设置的脉冲光P1的平均光子数相等的光子数检验装置。稍后将说明这些光子数估计装置和光子数检验装置。
在图6中所示的量子密码通信系统200中的发送方201和接收方202之间的通信中共享秘密信息的序列类似于图1中所示的量子密码通信系统100中的发送方101和接收方102之间的通信中共享秘密信息的序列(参见图2、3和4)，其任何细节将不再描述。
下面将说明在发送方201中的光子数设置装置中的信号光的平均光子数设置、和在光子数估计装置中的信号光的平均光子数估计以及在接收方202的光子数检验装置中的信号光的平均光子数检验的过程。
(1)下面将描述在光子数设置装置中的信号光的平均光子数设置的过程。
首先查找信号光的平均光子数，使得平均光子数在发送方201的输出处，也就是在信号光从偏振分束器226输入到通信路径203的点处，能够变为预定值。探测器/控制器220的探测器探测伴随其衰减处理从可变衰减器218泄漏的光的强度。如果可变衰减器218接收的脉冲光P1(信号光)的强度是已知的，那么探测器/控制器220的控制器可根据探测到的从可变衰减器218泄漏的光的强度值来获得从可变衰减器218输出的脉冲光P1的强度。
探测器/控制器220的控制器也控制可变衰减器218以确定其衰减量，使得根据上面探测到的泄漏光的强度值和从发送方201发送至通信路径203的脉冲光P1(信号光)的平均光子数的设置值，从发送方201发送至通信路径203的脉冲光P1(信号光)的平均光子数能够变为预定值。此时，发送方201中的探测器/控制器220构成衰减量引导装置。
根据上面的过程，设置可变衰减器218中的衰减量，使得脉冲光P1(信号光)的平均光子数能够变为预定值，例如，在发送方201的输出处，也就是在将来自偏振分束器226的光引入到通信路径203中的位置处，对于每个脉冲为大约一个。
(2)下面将描述信号光的平均光子数估计以及信号光的平均光子数检验的过程。
首先估计从发送方201发送至通信路径203的脉冲光P1(信号光)的平均光子数。检验估计的平均光子数和已经在发送方201中被设置的脉冲光P1(信号光)的设置的平均光子数，使得信号光P1的估计的平均光子数能够与信号光的设置的平均光子数相等。这允许探测到窃听。
类似于图1中所示的量子密码通信系统100的接收方102中的控制器136的情况，根据零差探测器的输出和每个参数值，接收方202的探测器/控制器256估计脉冲光P1(信号光)的平均光子数。也就是，接收方202中的探测器/控制器256根据上面的表达式(1)估计从发送方201发送至通信路径203的脉冲光P1(信号光)的平均光子数。此时，探测器/控制器256构成光子数估计装置。
通过采用探测由分束器254分裂的一部分脉冲光P2(参考光)的探测器/控制器256的探测器，将进行参考光的平均光子数L0的测量。探测器/控制器256的控制器根据由探测器探测到的强度值估计在零差探测器处的参考光的平均光子数。
光损耗L的测量将按照下述执行尽管脉冲光P1(信号光)以规则模式穿过接收方202中的偏振分束器252直接入射到分束器264，但是调整偏振元件250能够使脉冲光P1(信号光)传播至分束器254。
接着，根据由探测器/控制器220的探测器探测到的伴随其衰减处理从可调衰减器218泄漏的光的强度值以及由探测器/控制器256的探测器探测到的从分束器254分裂的光的强度值，可计算出通信路径203中的损耗。因为除通信路径之外的光学元件被估计是稳定的，因此根据上面计算的通信路径203中的损耗和其它光学元件中的损耗来计算光损耗L。
清晰度V的测量将按照下述执行首先将可变衰减器266设置到其最小透射，并将可变衰减器218设置为使得脉冲光P1(信号光)的强度和脉冲光P2(参考光)的强度能够彼此相同，这可以通过预先测量每个元件的损耗来设置。接着，相位调制器222或258在从0度至360度的相位范围内调制脉冲光，并在每个调制量处读出零差探测器(放大器/电压测量装置272)的输出。由下面的表达式计算清晰度VV＝(R1-R2)/(R1+R2-2×R0)其中R1是最大值；R2是最小值；以及偏移(off-set)值R0是当没有光入射时零差探测器的输出值。
在执行量子密码通信之后利用所测得的参考光的平均光子数LO、光损耗L和清晰度V，接收方202的探测器/控制器256根据上面的表达式(1)来估计信号光的平均光子数S。此时，当执行量子密码通信时并且相位调制量为0度和180度时获得的零差探测器的输出被用作N0、N180。
接收方202的探测器/控制器256的控制器检验从发送方201发送至通信路径203的脉冲光P1(信号光)的平均光子数的设置值是否与脉冲光P1(信号光)的估计的平均光子数相等。这种检验允许探测到窃听。此时，探测器/控制器256构成光子数检验装置。
因此，根据图6所示的量子密码通信系统200，发送方201具有光子数设置装置，该装置在其输出处将脉冲光P1(信号光)的平均光子数设置为预定值，例如，对于每个脉冲，平均光子数为大约一个。该光子数设置装置能够在发送方201的输出处精确地设置脉冲光P1的平均光子数。对脉冲光P1(信号光)的设置的平均光子数是否与在接收方202中估计的脉冲光P1的平均光子数相等的检验使得能够容易地探测到窃听。
根据本发明的上面的实施例，可以在发送方的输出处精确地设置脉冲光P1(信号光)的平均光子数并能够容易地探测到窃听。本发明的上面的实施例适用于共享任何秘密信息，例如公用密钥密码系统中的密钥的情况。
本领域技术人员应当理解，根据设计需求和其它因素可以进行多种修改、组合、子组合以及改变，只要它们在所附权利要求或其等效物的范围之内。
权利要求
1.一种基于量子密码执行通信处理的量子密码通信系统，所述系统包括第一通信终端；第二通信终端；以及连接所述第一通信终端和第二通信终端的通信路径，其中所述第一通信终端包括发射脉冲光的光源；第一光分离装置，该装置从由所述光源发射的脉冲光中分离出信号光和参考光；其中插入延迟装置的第一光路；其中未插入延迟装置的第二光路；光合成装置，该装置将在所述第一光分离装置中分离出的并穿过所述第一光路的信号光和在所述第一光分离装置中分离出的并穿过所述第二光路的参考光合成，以将合成的光发送至所述通信路径；第二光分离装置，该装置从通过所述通信路径从所述第二通信终端返回的脉冲光中分离出信号光和参考光；第一相位调制器，对于每个脉冲，该相位调制器对在所述第二光分离装置中分离出的并且穿过所述第一光路的参考光进行随机相位调制；以及零差探测器，该探测器根据在所述第二光分离装置中分离出的并且穿过所述第一光路的参考光和在所述第二光分离装置中分离出的并穿过所述第二光路的信号光进行零差探测；其中所述第二通信终端包括光发送装置，该装置通过预定光路将所述信号光和参考光发送至所述通信路径，所述信号光和参考光从所述第一通信终端通过所述通信路径被发送；衰减穿过所述预定光路的信号光的光衰减器；第二相位调制器，对于每个脉冲，该调制器对穿过所述预定光路的信号光进行随机相位调制；以及光子数设置装置，该装置将从所述光发送装置发送到所述通信路径的信号光的平均光子数设置为预定值。
2.根据权利要求1的量子密码通信系统，其中所述第二通信终端中的所述光子数设置装置还包括第一探测器，该第一探测器探测从所述第一通信终端发送的通过所述通信路径的所述信号光的强度；第二探测器，该探测器探测在由所述光衰减器衰减信号光之后的该信号光的强度；强度估计装置，该装置根据所述第一探测器探测到的强度以及被发送至所述通信路径的信号光的平均光子数的设置值来估计所述第二探测器的强度值；以及衰减量引导装置，该装置在所述第二探测器探测到的强度变为在所述强度估计装置中估计的所述第二探测器的强度值的情况下，引导所述光衰减器中的衰减量。
3.根据权利要求1的量子密码通信系统，其中所述第一通信终端还包括光子数估计装置，该装置估计从所述第二通信终端发送至所述通信路径的信号光的平均光子数。
4.根据权利要求3的量子密码通信系统，其中所述第一通信终端还包括光子数检验装置，所述光子数检验装置检验在所述光子数估计装置中的估计的信号光的平均光子数是否与在所述第二通信终端中的光子数设置装置中的设置的信号光的平均光子数相等。
5.根据权利要求1的量子密码通信系统，其中所述第一通信终端还包括第一光分裂装置，该装置分裂从所述第二通信终端发送的穿过所述通信路径的参考光的一部分；第一光探测装置，该装置根据来自所述第一光分裂装置的分裂的输出来探测所述参考光的到达；以及第一过程控制装置，该装置根据来自所述第一光探测装置的探测到的输出来控制所述第一相位调制器和所述零差探测器的处理开始，其中所述第二通信终端还包括第二光分裂装置，该装置分裂从所述第一通信终端发送的穿过所述通信路径的光的一部分；第二光探测装置，该装置根据来自所述第二光分裂装置的分裂的输出来探测所述参考光的到达；以及第二过程控制装置，该装置根据来自所述第二光探测装置的探测到的输出来控制所述第二相位调制器和所述光衰减器的处理开始。
6.一种在通信终端处设置平均光子数的方法，该通信终端包含将已经通过通信路径发送的信号光经由预定光路发送至通信路径的光发送装置以及衰减穿过所述预定光路的信号光的光衰减器，所述方法包括以下步骤探测从所述通信终端发送的通过所述通信路径的所述信号光的强度；根据在所述探测步骤中探测到的信号光的强度以及由所述光发送装置发送至所述通信路径的所述信号光的平均光子数的设置值来估计在所述光衰减器中衰减信号光之后的该信号光的强度值；以及在信号光被衰减后的该信号光的强度变为在所述强度值估计步骤中估计的强度值的情况下，引导所述光衰减器中的衰减量。
7.一种基于量子密码执行通信处理的量子密码通信系统，所述系统包括第一通信终端；第二通信终端；以及连接所述第一通信终端和第二通信终端的通信路径，其中所述第一通信终端包括第一光分离装置，该装置从由所述第二通信终端发送的通过所述通信路径的光中分离出信号光和参考光；第一光路；第二光路，其具有短于所述第一光路的长度的长度；第一相位调制器，对于每个脉冲，该相位调制器对在所述第一光分离装置中分离出的并且穿过所述第一光路的参考光进行随机相位调制；以及零差探测器，该探测器根据在所述第一光分离装置中分离出的并且穿过所述第一光路的参考光和在所述第一光分离装置中分离出的并穿过所述第二光路的信号光进行零差探测；其中所述第二通信终端包括发射脉冲光的光源；第二光分离装置，该装置从由所述光源发射的脉冲光中分离出信号光和参考光；第三光路，该光路具有对应于所述第一通信终端的第一光路的光程长度的光程长度；第四光路，该光路具有对应于所述第一通信终端的第二光路的光程长度的光程长度；衰减穿过所述第三光路的信号光的光衰减器；第二相位调制器，对于每个脉冲，该调制器对穿过所述第三光路的信号光进行随机相位调制；光发送装置，该装置将在所述第二光分离装置中分离出的并穿过所述第三光路的信号光和在所述第二光分离装置中分离出的并穿过所述第四光路的参考光合成，以将合成的光发送至所述通信路径；以及光子数设置装置，该装置将从所述光发送装置发送到所述通信路径的信号光的平均光子数设置为预定值。
8.根据权利要求7的量子密码通信系统，其中所述第二通信终端中的所述光子数设置装置还包括探测器，该探测器探测伴随其衰减处理从所述光衰减器泄漏的光的强度；以及衰减量引导装置，该装置根据所述探测器的探测的强度以及从所述光发送装置发送至所述通信路径的信号光的平均光子数的设置值引导在所述光衰减器中的衰减量。
9.根据权利要求7的量子密码通信系统，其中所述第一通信终端还包括光子数估计装置，该装置估计从所述第二通信终端发送的通过所述通信路径的信号光的平均光子数。
10.根据权利要求9的量子密码通信系统，其中所述第一通信终端还包括光子数检验装置，所述光子数检验装置检验在所述光子数估计装置中的估计的信号光的平均光子数是否与在所述第二通信终端中的光子数设置装置中的设置的信号光的平均光子数相等。
11.一种在通信终端处设置平均光子数的方法，该通信终端包含将从光源发射的光通过预定光路发送至通信路径的光发送装置以及衰减穿过所述预定光路的信号光的光衰减器，所述方法包括以下步骤探测伴随其衰减处理从所述光衰减器泄漏的光的强度；以及根据在所述强度探测步骤中探测的泄漏光的强度以及从所述光发送装置发送至所述通信路径的信号光的平均光子数的设置值来引导在所述光衰减器中的衰减量。
全文摘要
本发明涉及量子密码通信系统和在通信终端处设置平均光子数的方法。基于量子密码执行通信处理的量子密码通信系统具有第一通信终端；第二通信终端；以及连接它们的通信路径。所述第一通信终端包括光源；第一光分离装置；光路；光合成装置；第二光分离装置；第一相位调制器；以及零差探测器，该探测器根据在所述第二光分离装置中分离出的并且穿过所述第一光路的参考光和在所述第二光分离装置中分离出的并穿过所述第二光路的信号光进行零差探测。所述第二通信终端包括光发送装置；光衰减器；第二相位调制器；以及光子数设置装置，该装置将从所述光发送装置发送到所述通信路径的信号光的平均光子数设置为预定值。
文档编号H04B10/00GK101056168SQ200710103529
公开日2007年10月17日 申请日期2007年3月16日 优先权日2006年3月16日
发明者川元洋平, 平野琢也, 筱邦宣, 浮田昌一 申请人:索尼株式会社