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QUANTUM KEY DELIVERING METHOD AND COMMUNICATION APPARATUS

Patent code P07A009824
File No. A0200113
Posted date May 2, 2007
Application number P2004-234258
Publication number P2006-054638A
Patent number P4231926
Date of filing Aug 11, 2004
Date of publication of application Feb 23, 2006
Date of registration Dec 19, 2008
Inventor
  • (In Japanese)渡辺 曜大
Applicant
  • (In Japanese)大学共同利用機関法人情報・システム研究機構
Title QUANTUM KEY DELIVERING METHOD AND COMMUNICATION APPARATUS
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a quantum key delivering method capable of highly efficiently generating a common key in which security is highly guaranteed.
SOLUTION: This quantum key delivering method includes an error probability estimation step of estimating error probabilities of transmission data and reception data, an error correcting step of correcting the error of reception data on the basis of error correction information, a matching determining step of determining whether or not the transmission data matches the reception data after error correction, an information amount estimating step of estimating the amount of information leaked to an eavesdropper through a quantum communication route. Further, in this method, data are compressed on the basis of amount of information made public through a public communication route in a processing step and an estimation value of amount of information leaked to the eavesdropper through the quantum communication route, and the data after compression are used as common key among apparatuses.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


以下、従来の量子暗号システムについて説明する。近年、高速大容量の通信技術として光通信が広く利用されているが、このような光通信システムでは、光のオン/オフで通信が行われ、オンのときに大量の光子が送信されているため、量子効果が直接現れる通信系にはなっていない。



一方、量子暗号システムでは、通信媒体として光子を用い、不確定性原理等の量子効果が生じるように1個の光子で1ビットの情報を伝送する。このとき、盗聴者が、その偏光,位相等の量子状態を知らずに適当に基底を選んで光子を測定すると、その量子状態に変化が生じる。したがって、受信側では、この光子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。



図9は、従来の偏光を利用した量子鍵配送の概要を示す図である。たとえば、水平垂直方向の偏光を識別可能な測定器では、量子通信路上の、水平方向(0°)に偏光された光と垂直方向(90°)に偏光された光とを正しく識別する。一方、斜め方向(45°,135°)の偏光を識別可能な測定器では、量子通信路上の、45°方向に偏光された光と135°方向に偏光された光とを正しく識別する。



このように、各測定器は、規定された方向に偏光された光については正しく認識できるが、たとえば、斜め方向に偏光された光を水平垂直方向(0°,90°)の偏光を識別可能な測定器にて測定すると、水平方向と垂直方向に偏光された光をそれぞれ50%の確率でランダムに識別することになる。すなわち、識別可能な偏光方向に対応していない測定器を用いた場合には、その測定結果を解析しても、偏光された方向を正しく識別することができない。



図9に示す従来の量子鍵配送では、上記不確定性(ランダム性)を利用して、盗聴者に知られずに送信者と受信者との間で鍵を共有する(たとえば、非特許文献1参照)。なお、送信者および受信者は、量子通信路以外に公開通信路を使用することができる。



ここで、鍵の共有手順について説明する。まず、送信者は、乱数列(1,0の列:送信データ)を発生し、さらに送信コード(+:水平垂直方向に偏光された光を識別可能な測定器に対応,×:斜め方向に偏光された光を識別可能な測定器に対応)をランダムに決定する。その乱数列と送信コードの組み合わせで、送信する光の偏光方向が自動的に決まる。ここでは、0と+の組み合わせで水平方向に偏光された光を、1と+の組み合わせで垂直方向に偏光された光を、0と×の組み合わせで45°方向に偏光された光を、1と×の組み合わせで135°方向に偏光された光を、量子通信路にそれぞれ送信する(送信信号)。



つぎに、受信者は、受信コード(+:水平垂直方向に偏光された光を識別可能な測定器,×:斜め方向に偏光された光を識別可能な測定器)をランダムに決定し、量子通信路上の光を測定する(受信信号)。そして、受信コードと受信信号の組み合わせによって受信データを得る。ここでは、受信データとして、水平方向に偏光された光と+の組み合わせで0を、垂直方向に偏光された光と+の組み合わせで1を、45°方向に偏光された光と×の組み合わせで0を、135°方向に偏光された光と×の組み合わせで1を、それぞれ得る。



つぎに、受信者は、自身の測定が送信側と同一の基底を用いた測定かどうか、すなわち、正しい測定器で行われたものかどうかを調べるために、受信コードを、公開通信路を介して送信者に対して送信する。受信コードを受け取った送信者は、測定が正しい測定器で行われたものかどうかを調べ、その結果を、公開通信路を介して受信者に対して返信する。



つぎに、受信者は、正しい測定器で受信した受信信号に対応する受信データだけを残し、その他を捨てる。この時点で、残された受信データは送信者と受信者との間で共有できている。



つぎに、送信者と受信者は、それぞれの通信相手に対して、共有データから選択した所定数のデータを、公開通信路を経由して送信する。そして、受け取ったデータが自身の持つデータと一致しているかどうかを確認する。たとえば、確認したデータの中に一致しないデータが1つでもあれば、盗聴者がいるものと判断して共有データを捨て、再度、鍵の共有手順を最初からやり直す。一方、確認したデータがすべて一致した場合には、盗聴者がいないと判断し、確認に使用したデータを捨て、残った共有データを送信者と受信者の共有鍵とする。



【非特許文献1】
Bennett, C. H. and Brassard, G.: Quantum Cryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing, In Proceedings of IEEE Conference on Computers,System and Signal Processing, Bangalore, India, pp.175-179 (DEC.1984).

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、高度に安全性の保証された共通鍵を生成することが可能な量子鍵配送方法に関するものであり、特に、誤り訂正符号を用いてデータ誤りを訂正可能な量子鍵配送方法および当該量子鍵配送を実現可能な通信装置に関するものである。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
乱数列と基底の組み合わせによって規定された量子状態で光子を量子通信路上に送信する第1の通信装置、および当該量子通信路上の光子の測定結果と基底の組み合わせによって規定されたデータを得る第2の通信装置、にて実行され、送信側と同一の基底を用いた測定により得られたデータを第1の受信データとし、当該第1の受信データに対応する乱数列を第1の送信データとする量子鍵配送方法において、
各通信装置の共有鍵生成部が、前記第1の送信データおよび前記第1の受信データからそれぞれ所定数の同一ビット位置のデータを抽出し、抽出後の部分データを、公開通信路を介して相互に通知し、その後、双方の部分データの一致度(エラー確率)に基づいて、鍵生成に用いるデータのエラー確率を推定するエラー確率推定ステップと、
前記各共有鍵生成部が、公開された部分データ以外の残りのデータをそれぞれ第2の送信データおよび第2の受信データとする第1のデータ圧縮ステップと、
前記第1の通信装置のシンドローム生成部が、所定の誤り訂正情報を、公開通信路を介して前記第2の通信装置に通知し、前記第2の通信装置のシンドローム復号部が、前記誤り訂正情報に基づいて前記第2の受信データの誤りを訂正する誤り訂正ステップと、
公開された誤り訂正情報の量に応じて、前記第1の通信装置の共有鍵生成部が前記第2の送信データを、前記第2の通信装置の共有鍵生成部が前記誤り訂正後の第2の受信データを、それぞれ圧縮し、圧縮後のデータをそれぞれ第3の送信データおよび第3の受信データとする第2のデータ圧縮ステップと、
各共有鍵生成部が、前記第3の送信データと前記第3の受信データが一致しているかどうかを判定するための所定の判定情報を、公開通信路を介して相互に通知し、さらに、前記判定情報に基づいて前記判定処理を行い、当該判定結果が不一致の場合、前記第3の送信データおよび前記第3の受信データを捨てる一致判定ステップと、
前記判定結果が一致の場合、公開された判定情報の量に応じて、前記第1の通信装置の共有鍵生成部が前記第3の送信データを、前記第2の通信装置の共有鍵生成部が前記第3の受信データを、それぞれ圧縮し、圧縮後のデータをそれぞれ第4の送信データおよび第4の受信データとする第3のデータ圧縮ステップと、
前記第1の通信装置の出力に誤差がない場合には、前記第1の通信装置の共有鍵生成部または前記各通信装置の共有鍵生成部のそれぞれが、前記エラー確率推定値に基づいて量子通信路を通して盗聴者にもれた情報量を推定し、一方で、前記第1の通信装置の出力に誤差がある場合には、前記第1の通信装置の共有鍵生成部または前記各通信装置の共有鍵生成部のそれぞれが、前記エラー確率推定値および前記誤差を反映させた量子状態に基づいて、量子通信路を通して盗聴者にもれた情報量を推定する情報量推定ステップと、
前記盗聴者にもれた情報量の推定値に基づいて、前記第1の通信装置の共有鍵生成部が前記第4の送信データを、前記第2の通信装置の共有鍵生成部が前記第4の受信データを、それぞれ圧縮し、圧縮後のデータを各通信装置間で共有の暗号鍵とする共有鍵生成ステップと、
を含むことを特徴とする量子鍵配送方法。

【請求項2】
 
前記エラー確率推定ステップにおいては、予め規定された「エラー確率の推定値が真のエラー確率よりも小さく見積もられてしまう確率の上限値」を満たすように、エラー確率を推定することを特徴とする請求項1に記載の量子鍵配送方法。

【請求項3】
 
前記一致判定ステップにて使用する前記判定情報は、システムが要求する安全性に応じて決定されるビット数分の情報とすることを特徴とする請求項1または2に記載の量子鍵配送方法。

【請求項4】
 
前記情報量推定ステップにおいては、前記送信状態を前記第2の通信装置に対して予め公開しておき、前記第1の通信装置と前記第2の通信装置の両方で盗聴者にもれた情報量を推定することを特徴とする請求項1、2または3に記載の量子鍵配送方法。

【請求項5】
 
前記情報量推定ステップにおいては、前記第1の通信装置にて盗聴者にもれた情報量を推定し、当該推定値を、公開通信路を介して前記第2の通信装置に通知することを特徴とする請求項1、2または3に記載の量子鍵配送方法。

【請求項6】
 
乱数列と基底の組み合わせによって規定された量子状態で光子を量子通信路上に送信し、光子受信側の通信装置において光子送信側と同一の基底を用いた測定により得られたデータに対応する乱数列を第1の送信データとする光子送信側の通信装置において、
前記第1の送信データから所定数のビット位置のデータを抽出し、抽出後の部分データを、公開通信路を介して前記受信側の通信装置に通知し、その後、前記受信側の通信装置から得られる同一ビット位置の部分データとの一致度(エラー確率)に基づいて、鍵生成に用いるデータのエラー確率を推定し、さらに、公開した部分データ以外の残りのデータを第2の送信データとするエラー確率推定手段と、
所定の誤り訂正情報を、公開通信路を介して前記第2の通信装置に通知し、公開した誤り訂正情報の量に応じて前記第2の送信データを圧縮し、圧縮後のデータを第3の送信データとする誤り訂正手段と、
前記第3の送信データと受信側の通信装置から得られるデータとが一致しているかどうかを判定するための判定情報を、公開通信路を介して前記受信側の通信装置に通知し、前記判定情報に基づく判定結果が不一致の場合、前記第3の送信データを捨て、一方、前記判定結果が一致の場合、公開した判定情報の量に応じて前記第3の送信データを圧縮し、圧縮後のデータを第4の送信データとする一致判定手段と、
自装置の出力に誤差がない場合には前記エラー確率推定値に基づいて量子通信路を通して盗聴者にもれた情報量を推定し、自装置の出力に誤差がある場合には、前記エラー確率推定値および自装置の誤差を反映させた量子状態(送信状態)に基づいて、量子通信路を通して盗聴者にもれた情報量を推定する推定手段と、
前記盗聴者にもれた情報量の推定値に基づいて前記第4の送信データを圧縮し、圧縮後のデータを装置間で共有の暗号鍵とする共有鍵生成手段と、
を有することを特徴とする通信装置。

【請求項7】
 
量子通信路上の光子の測定結果と基底の組み合わせによって規定されたデータのうち、光子送信側と同一の基底を用いた測定により得られたデータを第1の受信データとする光子受信側の通信装置において、
前記第1の受信データから所定数のビット位置のデータを抽出し、抽出後の部分データを、公開通信路を介して光子送信側の通信装置に通知し、その後、前記送信側の通信装置から得られる同一ビット位置の部分データとの一致度(エラー確率)に基づいて、鍵生成に用いるデータのエラー確率を推定し、さらに、公開した部分データ以外の残りのデータを第2の受信データとするエラー確率推定手段と、
前記送信側の通信装置から得られる誤り訂正情報に基づいて前記第2の受信データの誤りを訂正し、前記送信側の通信装置により公開された誤り訂正情報の量に応じて前記誤り訂正後の第2の受信データを圧縮し、圧縮後のデータを第3の受信データとする誤り訂正手段と、
前記第3の受信データと前記送信側の通信装置から得られるデータとが一致しているかどうかを判定するための判定情報を、公開通信路を介して前記送信側の通信装置に通知し、前記判定情報に基づく判定結果が不一致の場合、前記第3の受信データを捨て、一方、前記判定結果が一致の場合、公開した判定情報の量に応じて前記第3の受信データを圧縮し、圧縮後のデータを第4の受信データとする一致判定手段と、
光子送信側の通信装置の出力に誤差がない場合には前記エラー確率推定値に基づいて量子通信路を通して盗聴者にもれた情報量を推定し、光子送信側の通信装置の出力に誤差がある場合には、前記エラー確率推定値および当該光子送信側通信装置の誤差を反映させた量子状態(送信状態)に基づいて、量子通信路を通して盗聴者にもれた情報量を推定する推定手段と、
前記盗聴者にもれた情報量の推定値に基づいて前記第4の受信データを圧縮し、圧縮後のデータを装置間で共有の暗号鍵とする共有鍵生成手段と、
を有することを特徴とする通信装置。

【請求項8】
 
量子通信路上の光子の測定結果と基底の組み合わせによって規定されたデータのうち、光子送信側と同一の基底を用いた測定により得られたデータを第1の受信データとする光子受信側の通信装置において、
前記第1の受信データから所定数のビット位置のデータを抽出し、抽出後の部分データを、公開通信路を介して光子送信側の通信装置に通知し、その後、前記送信側の通信装置から得られる同一ビット位置の部分データとの一致度(エラー確率)に基づいて、鍵生成に用いるデータのエラー確率を推定し、さらに、公開した部分データ以外の残りのデータを第2の受信データとするエラー確率推定手段と、
前記送信側の通信装置から得られる誤り訂正情報に基づいて前記第2の受信データの誤りを訂正し、前記送信側の通信装置により公開された誤り訂正情報の量に応じて前記誤り訂正後の第2の受信データを圧縮し、圧縮後のデータを第3の受信データとする誤り訂正手段と、
前記第3の受信データと前記送信側の通信装置から得られるデータとが一致しているかどうかを判定するための判定情報を、公開通信路を介して前記送信側の通信装置に通知し、前記判定情報に基づく判定結果が不一致の場合、前記第3の受信データを捨て、一方、前記判定結果が一致の場合、公開した判定情報の量に応じて前記第3の受信データを圧縮し、圧縮後のデータを第4の受信データとする一致判定手段と、
請求項6に記載の光子送信側の通信装置が推定した「量子通信路を通して盗聴者にもれた情報量の推定値」を、公開通信路を介して受け取り、当該推定値に基づいて前記第4の受信データを圧縮し、圧縮後のデータを装置間で共有の暗号鍵とする共有鍵生成手段と、
を有することを特徴とする通信装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2004234258thum.jpg
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(In Japanese)情報・システム研究機構 国立情報学研究所(NII)は、我が国唯一の情報系に特化した研究所です。NIIでは、外部資金による研究成果の社会還元を中心に、技術移転活動に積極的に取り組んでいます。上記の発明にライセンス対象や共同開発対象として関心をお持ちいただいた方は、国立情報学研究所 社会連携推進室までお気軽にお問合せください。


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