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量子暗号擬似実習用キット![]()
![]() Please Wait ![]() Click to Enlarge 偏光状態でエンコードされたバイナリ情報は、センサーモジュールによって検知(青色LEDの点灯で示されます)。 量子暗号疑似実習用キット
実験内容
量子暗号疑似実習キットEDU-QCRY1/Mには、暗号化プロトコルBB84に基づくデータ通信用セットアップの組み立てに必要な部品が含まれています。この暗号手法では、送信者および受信者が両者しか知らない暗号鍵を作成し、盗聴があればそれを検知することが可能です。 この疑似実験では、1/2波長板および偏光ビームスプリッタを用いて操作された情報のビットを、光の偏光に載せて送信します。この教育用キットには、送信者(Alice)、受信者(Bob)、盗聴者(Eve)の役割を構成するのに必要な、レーザ、1/2波長板、偏光ビームスプリッタならびにディテクタが付属しています。 Thorlabs教育用製品とキット教育用実験キットシリーズは、最先端の研究のみならず、多くの古典的な実験を網羅することにより、物理学、光学、フォトニクスの学習を促進させることを目的としています。いずれの教育用キットにも必要な部品が全て含まれており、詳しいセットアップの手順だけでなく教育内容も盛り込まれたマニュアルが付属します。これらのキットの価格は構成部品の合計金額で設定されており、付属の教材は無料でご提供しています。 注: マニュアルと教材は英語でご用意しております。 ご不明な点は当社までお問い合わせください。当社ウェブサイトに掲載されている製品の表示価格には、消費税は含まれておりません。 このキットでは、実験を通して量子暗号ならびに暗号化プロトコルBB84の基本事項を実習することを目指しています。この実験で、学生は偏光状態を利用してメッセージをバイナリにエンコードし、BB84プロトコルで暗号化する方法を学びます。 BB84プロトコル ただし、AliceおよびBobのみしか暗号鍵を知らないことを保証できるようにすることと、盗聴者(Eve)に暗号鍵を傍受されないようにすることが基本的な課題となります。暗号化プロトコルBB84では、量子鍵配送(QKD)により暗号鍵がAliceとBob以外には知られないことを保証します。QKDは量子物理学の原理を利用しており、単一光子に1ビットの情報をエンコードすることで情報をコピーできないようにします。Eveによって傍受される度に、光子の状態は必ず変化します。このことから、BB84プロトコルによって真に安全性が確立された暗号化送信が実現します。 偏光を使用したBB84プロトコルのモデル構築 この実験では、盗聴者(Eve)はAliceからの通信を受信して同じ信号をBobに送信するモジュールで表されます。公衆の「通信」を使用しているのでEveは自由に盗聴を行えますが、学生はそれがなぜ盗聴者の存在を明らかにするエラーの原因になるのかを学習します。盗聴は暗号鍵の送信中に検知されるため、AliceとBobはそこで盗聴者がいないことを確認できれば、傍受される心配もなくメッセージを送信できることになります。
単一光子と古典的な光の違いについて なお、量子暗号疑似実習用キットEDU-QCRY1/Mでは、パルスレーザ、つまり古典的な光を使用しています。プロトコルのシーケンスは本物の量子暗号化システムと全く同じですが、実際に完全な暗号システムとしてご使用いただけるわけではありません。Eveは伝送されている光の一部を解読用に分離し、残りの信号をBobに送信することで、気づかれることなく盗聴することができます。 このタブでは、量子暗号疑似実験キットEDU-QCRY1/Mを使用して行うことができる例題を掲載しています。学生向けの練習問題ならびにワークシートについての詳細は、マニュアルをご参照ください。
この例ではAlice、Bob間での暗号鍵を作成し、10ビット、2文字の暗号化されたメッセージをBB84プロトコルを使用して送信する方法について説明しています。 暗号鍵の作成
同時に、Bobは情報を受信するために使用するランダムな基底の組合せを選択します。これらの基底はAliceとは独立して選択し、一致する必要はありません。送受信が完了したら、AliceとBobは使用した基底を比較します。Aliceが選択した基底と一致した場合(表2で緑に色付けされています)は、BobはAliceが選択したのと同じ値を得ることができます。しかし基底が一致しない場合には、Bobは0または1をランダムに受信することになります。そのため、それらのビットは破棄され、残りの緑で色づけされたビットがAliceとBobの間での暗号鍵となります。
この例では、暗号鍵は次のような配列になります: "0 1 1 0 0 1 0 0 0 1" 暗号鍵を使用した暗号化メッセージの送信 メッセージを暗号化するには、Aliceはメッセージと暗号鍵のバイナリ加算をする必要があります(加算のルールについては下の表をご参照ください)。その結果得られた10ビットのメッセージは、公衆回線を使用してAliceからBobに送信できますが、その際は事前に合意した基底を使用します(つまり、AliceとBobは+または×のどちらの基底を使用するかを決めます)。送受信完了後、Bobは暗号鍵を用いて暗号化されたメッセージ鍵にバイナリ値を加算してメッセージをデコードします。このバイナリ加算で値は元に戻るので、初めのバイナリメッセージが再現されます。
しかし、安全にメッセージを送信するこの方法は、盗聴者が暗号鍵について知らない事を前提としています。上述の通信は公衆通信回線を介して行っているため、EveはAliceとBob間の通信を傍受して暗号鍵を盗もうとすることができます。しかし、そうすると盗聴による通信エラーが発生します。 BB84プロトコルでは、基底を比較(表2参照)した後、AliceとBobは暗号鍵の試験用の領域を比較します。Eveの盗聴によって発生したエラーは、この試験用の領域を比較することでAliceとBobに発見され、彼らに盗聴者の存在を知らせます。詳しい例についてはマニュアルのセクション6.2をご参照ください。 量子暗号疑似実験キットの構成部品当社の量子暗号実験キットはインチおよびミリ規格の両方でご提供しています。ミリ規格とインチ規格で型番が異なる場合、ミリ規格の型番ならびに寸法はインチ規格の型番横とカッコ内にそれぞれ記されています。
インチ規格:付属のハードウェアとネジ
EDU-QCRY1/Mは、量子物理学の専門教育に関係する教育者の方々、ならびにその教育機関のご協力を得て、開発いたしました:
教育キットとして組込みを希望される実験がございましたら当社までお知らせください。ご意見をお待ちしております。 レーザの安全性と分類レーザを取り扱う際には、安全な操作の実施と、安全に関わる器具や装置を適切に取扱い、使用することが重要です。 ヒトの目は損傷しやすく、レーザ光のパワーレベルが非常に低い場合でも起こります。 当社では豊富な種類の安全に関わるアクセサリをご提供しており、そのような事故や負傷のリスクの低減にお使いいただけます。 可視域から近赤外域のスペクトルでのレーザ発光ではヒトの網膜に損傷与えうるリスクは極めて高くなります。これはその帯域の光が目の角膜やレンズを透過し、レンズがレーザーエネルギを、網膜上に集束してしまうことがあるためです。 安全な作業および安全に関わるアクセサリ
レーザ製品のクラス分けレーザ製品は、目などの損傷を引き起こす可能性に基づいてクラス分けされています。 国際電気標準会議(The International Electrotechnical Commission 「IEC」)は、電気、電子工学技術関連分野の国際規格の策定及び普及を行う国際機関で、 IEC60825-1はレーザ製品の安全性を規定するIEC規格です(対応するJIS規格はJIS C 6802)。レーザ製品のクラス分けは下記の通りです:
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