量子暗号擬似実習用キット

概要
実験内容
例題
キット構成部品
謝辞
レーザの安全性
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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

教育、実習、授業用に設計
全てのハードウェアに加えて、詳細なマニュアルと教材が含まれたキット
組立・使用方法が簡単

実験内容

偏光を利用した情報の暗号化と送信について学習
秘密の通信が可能な暗号鍵の作成
暗号化、送信、秘密メッセージの解読
盗聴によって発生する通信エラーとその検知についての検証
暗号化プロトコルBB84の実習

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。

なお、こちらの製品は量子暗号の重要な原理について模擬実験を行うための古典的なキットです。量子暗号実験の疑似的なセットアップとして、単一光子の代わりにパルスレーザを用います。このキットにはシングルフォトンディテクタは付属しておりません。

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
BB84プロトコルは、ワンタイムパッドとして知られる暗号化技術と量子鍵配送を組み合わせた通信スキームです。ワンタイムパッド方式を使用してメッセージを暗号化するには、バイナリ化したメッセージにバイナリの暗号鍵(0と1から構成)を加算します。この鍵またはメッセージには解読方法やパターンはないので、この暗号化方法を使用すれば、暗号化されたメッセージを公衆通信回線を使用して送信することができます。

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
EDU-QCRY1/Mは、光の偏光を利用してBB84方式のモデルを構築します(下の図参照)。ビット形式のデータは、パルスレーザの偏光状態を変化させることでエンコードされます。さらに詳しく言うと、このビットはビットの値を特定の偏光角度に変換する基底の偏光ペア(+またはxで表示)によってエンコードされます。＋基底は0°および90°の偏光で表され、x基底は-45°および45°の偏光で表されます。各ペアの偏光の一方が「0」のビットを表し、もう一方が「1」のビットを表します。Aliceはパルス光を生成し、さらにビットと基底をエンコードするために1/2波長板で偏光状態を設定し、情報を送信します。受信者(Bob)は1/2波長板とビームスプリッタを使用して、送られてきた情報を「0」または「1」に変換します。ビットと基底は通信ごとにランダムに選択されますが、基底を比較することで、AliceとBobはお互いにしかわからない独自の暗号鍵を生成することができます。

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。

この概略図は、量子暗号化キットEDU-QCRY/MのAlice、EveおよびBobのモジュールを表しています。偏光ローテータによって偏光状態を変化させ、特定の基底で「1」または「0」をエンコードします。もう一方の偏光ローテータによって受信された光は、ビームスプリッタによって適切な検出器に送られます。

単一光子と古典的な光の違いについて
盗聴者(Eve)に対する完全なセキュリティは、BB84プロトコルに従って単一光子を用いて通信を行った場合にのみ、量子複製不可能定理によって保証されます。この定理では、未知の量子状態については、その状態を変更することなく完全な複製を作ることはできないとされています。その結果、EveはAliceからの光子の状態を変更せずに複製することはできず、状態の変更されない光子をBobに送信しながら解読するために複製を保存するといったことはできません。

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。

Basis	Bit	Polarization
+	0	0°
+	1	90°
×	0	-45°
×	1	45°

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
まず、Aliceが鍵送信用のビットと基底(+または×)のシークエンスをランダムに選択します。ビットと基底の組合せにより、Aliceが送信するパルス光の偏光角度が決まります(可能な組合せについては右の表をご覧ください)。表1は18組のランダムに選択されたビットと基底の組合せと、それぞれに対応する偏光角度を示しています。偏光角度の求め方については、マニュアルをご参照ください。

Table 1: Transmitting (Alice)
Index	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Alice's Basis (Random)	×	×	+	×	+	+	+	×	×	+	×	×	×	+	+	×	+	×
Alice's Bit (Random)	1	0	0	1	1	0	0	1	1	1	0	1	0	0	0	1	0	1
Polarization Angle	45°	-45°	0°	45°	90°	0°	0°	45°	45°	90°	-45°	45°	-45°	0°	0°	45°	0°	45°

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。

Table 2: Receiving (Bob)
Index	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Bob's Basis (Random)	+	×	×	×	+	+	+	×	+	×	×	+	+	×	+	+	+	×
Bob's Bit (From Alice)	1	0	1	1	1	0	0	1	1	1	0	1	0	1	0	0	0	1

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
ここでは、2文字のメッセージ「QM」を、上記の暗号鍵を使用して送信する方法を説明します。まず、各文字は表3のように5ビットのバイナリ表示に変換します(すべてのアルファベットのバイナリ表示を示した表はマニュアルの第9章にございます)。この例ではバイナリ形式でアルファベット文字を送信していますが、理論的にはどのような文字情報でもバイナリ配列でエンコードすることが可能です。

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。

Table 3: Sending an Encrypted Message
Letter^a	Q					M
Binary Message	1	0	0	0	0	0	1	1	0	0
Encryption Key	0	1	1	0	0	1	0	0	0	1
Encrypted Message^b	1	1	1	0	0	1	1	1	0	1

この例では、1文字を5ビットの配列で表しています。すべてのアルファベットのバイナリ表示はマニュアルの第9章に掲載されています。
暗号化メッセージはメッセージと暗号鍵をバイナリ加算して作成します。

Binary Addition Rules
0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 0 = 1
1 + 1 = 0

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。

Kit Components
EDU-QCRY1 Item #	EDU-QCRY1/M Item #	Description	Qty.
MB8	MB2020/M	Aluminum Breadboard 8" x 8" (20 cm x 20 cm)	1
MB810	MB2025/M	Aluminum Breadboard 8" x 10" (20 cm x 25 cm)	1
MB1218	MB3045/M	Aluminum Breadboard 12" x 18" (30 cm x 45 cm)	1
BA1	BA1/M	Post Holder Base	10
PH2	PH50/M	Post Holder, 2" (50 mm) Long	5
PH1.5	PH40/M	Post Holder, 1.5" (40 mm) Long	6
UPH2	UPH50/M	Universal Post Holder, 2" (50 mm) Long	2
TR1.5	-	Optical Post, 1.5" Long	6
-	TR30/M	Optical Post, 30 mm Long	4
-	TR40/M	Optical Post, 40 mm Long	2
TR2	TR50/M	Optical Post, 2" (50 mm) Long	7
RSP1X225-ALICE^a	RSP1X225/M-ALICE^a	Ø1" Indexing Rotation Mount, 22.5° Steps	2
RSP1X225-BOB^a	RSP1X225/M-BOB^a	Ø1" Indexing Rotation Mount, 22.5° Steps	2
PM3	PM3/M	Clamping Arm	2
BA1S	BA1S/M	Swivel Post Holder Base	1

これらの部品はRSP1X225をベースにしていますが、ダイヤル面はこのキット用にカスタマイズされています。

Kit Components
EDU-QCRY1 Item #	EDU-QCRY1/M Item #	Description	Qty.
AT1	AT1/M	Alignment Tool	1
CL3	CL3/M	Compact Variable Height Clamp	2
N/A	N/A	Kinematic Platform Mount^a	2
RDF1		Rubber Damping Feet (4 Pack)	3
WPH10E-633		Zero-Order Half-Wave Plate	4
KM100		Ø1" Kinematic Mount	2
PBS201		Polarizing Beamsplitter Cube	2
AD11NT		Ø1" Adapter for Ø11 mm Components	2
CPS635R-C2^b		635 nm Laser Diode Module	2
BBH1		Breadboard Handles	1
SPW606		SM1 (1.034"-40) Spanner Wrench	1
N/A		Sensor Module	4
N/A		Sensor Electronics Module	2
N/A		Laser Electronics Module	2
N/A		5 V Power Supply	4

これらの部品は、KM100PM(/M)をカスタマイズしたものです。
この部品はCPS635Rのクラス2タイプです。

インチ規格:付属のハードウェアとネジ

Item #	Description	Qty.	Item #	Description	Qty.
BD-3/16L	3/16" Balldriver	1	-	1/16" Hex Key	1
-	1/8" Hex Key	1	-	3/32" Hex Key	1
W25S050	1/4" Washer	19	SH25S038	1/4"-20 Cap Screw, 3/8" Long	11
SH25S050	1/4"-20 Cap Screw, 1/2" Long	12	SH25S063	1/4"-20 Cap Screw, 5/8" Long	17
-	1/4"-20 Cap Screw, 1.25" Long	2	SH25S200	1/4"-20 Cap Screw, 2" Long	2
AS4M8E	M4 to 8-32 Thread Adapter	4	-	-	-

ミリ規格:付属のハードウェアとネジ

Item #	Description	Qty.	Item #	Description	Qty.
BD-5ML	6 mm Balldriver	1	-	1.5 mm Hex Key	1
-	2 mm Hex Key	1	-	3 mm Hex Key	1
W25S050	M6 Washer	19	SH6MS10	M6 Cap Screw, 10 mm Long	11
SH6MS12	M6 Cap Screw, 12 mm Long	12	SH6MS16	M6 Cap Screw, 16 mm Long	17
-	M6 Cap Screw, 30 mm Long	2	-	M6 Cap Screw, 45 mm Long	2

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：

Jörn Schneider, Leibniz-Gymnasium Dormagen
Jan-Peter Meyn and Andreas Vetter, University Erlangen-Nuremberg (www.quantumlab.de)
Quantum Physics in School 2014 Meeting, Munich (www.heisenberg-gesellschaft.de)

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

当社では、わずかでも影響のあるレベルのレーザ光線(例：クラス 1よりも高いクラスのレーザ機器)を取り扱う場合は、ネジ回しなどの金属製の器具が偶然に光の方向を変えて再び目に入ってしまうこともあるので、レーザ保護眼鏡を必ずご使用いただくようにお勧めしております。
特定の波長に対応するように設計されたレーザ保護眼鏡は、装着者を想定外のレーザ反射から保護するために、レーザ使用装置の近くのわかりやすい場所に置いてください。
レーザ保護眼鏡には、保護機能が有効な波長範囲およびその帯域での最小光学濃度が刻印されています。
レーザ保護カーテンやレーザ安全保護用布は実験室内での高エネルギーレーザの遮光にご使用いただけます。
遮光用材料は、直接光と反射光の両方を実験装置の領域に封じ込めて外に逃しません。
また当社の筺体システムは、その内部に光学セットアップを収納し、レーザ光を封じ込めて危険性を最小限に抑えます。
ピグテール付き半導体レーザは、他のファイバに接続、もしくは他のファイバから取り外す際には、レーザ出力をOFFにしてください。パワーレベルが10 mW以上の場合には特にご注意ください。
いかなるビーム光も、テーブルの範囲で終端させる必要があります。また、レーザ使用中には、研究室の扉は必ず閉じていなければなりません。
レーザ光の高さは、目線の高さに設定しないでください。
全てのレーザビームが水平を保って直進するように、実験は光学テーブル上で行ってください。
ビーム光路の近くで作業する人は、光を反射する不要な装飾品やアクセサリ(指輪、時計など)をはずしてください。
レンズや他の光学装置が、入射光の一部を、前面や背面で反射する場合がありますのでご注意ください。
あらゆる作業において、レーザは必要最小限のパワーで動作するようにご留意ください。
アライメント作業は、可能な限りレーザの出力パワーを低減して行ってください。
ビームパワーを抑えるためにビームシャッタやフィルタをお使いください。
レーザのセットアップの近くや実験室には、適切なレーザ標識やラベルを掲示してください。
クラス3Rやクラス4のレーザ(安全確保用のインターロックが必要となるレーザーレベルの場合)で作業する場合は、適切な警告灯などをご用意ください。
適切なビームトラップを用い、代用品としてレーザービュワーカードを使用したりしないでください。

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:

Class	Description	Warning Label
1	ビーム内観察用の光学機器の使用を含む、通常の条件下での使用において、安全とみなされているクラスです。このクラスのレーザ製品は、通常の使用範囲内では、人体被害を及ぼすエネルギーレベルのレーザ光を放射することがないので、最大許容露光量(MPE)を超えることはありません。このクラス1のレーザ機器には、レーザをシャットダウンするか、筐体等を開かない限り、作業者がレーザに露光することがないような、完全に囲われた高出力レーザも含まれます。
1M	クラス1Mのレーザは、安全であるが、望遠鏡や顕微鏡と併用した場合は危険な製品です。この分類に入る製品からのレーザ光は、直径の大きな光や拡散光を放射し、ビーム径を小さくするために光を集光する光学素子やイメージング用の光学素子を使わない限り、通常はMPEを超えることはありません。しかし、光を再び集光した場合は危険性が増大する可能性があるので、このクラスの製品であっても、別の分類に移動する場合があります。
2	クラス2のレーザ製品は、その出力が最大1 mWの可視域での連続放射光に限定されます。瞬目反射によって露光が0.25秒までに制限されるので、安全と判断されるクラスです。このクラスの光は、可視域(400～700 nm)に限定されます。
2M	このクラスのレーザ製品のビーム光は、瞬目反射があるので、光学機器を通して見ない限り安全であると分類されています。このクラスは、レーザ光の半径が大きい場合や拡散光にも適用されます。
3R	ビーム内観察を行わなければ、このクラスのレーザ製品は安全とみなされます。このクラスでは、MPE値を超える場合がありますが、被害のリスクレベルは低いクラスです。可視域の連続波のレーザの出力パワーは、このレベルでは5 mWまでとされています。
3B	クラス3Bのレーザは、直接ビームを見た場合に危険なクラスです。ただし、拡散反射は有害ではありません。このクラスで装置を安全に操作するには、ビームを直接見る可能性のあるときはレーザ保護眼鏡を装着する必要があります。さらに、インターロック機能付きの自動表示灯等の警報装置を設け、それらがONにならない限り、レーザがONにならないようにすることが求められます。クラス3Bのレーザ機器には、キースイッチと安全保護装置が必要です。
4	このクラスのレーザは、皮膚と目の両方に損傷を与える場合があり、これは拡散反射光でも起こりうるとみなされています。このような被害は、ビームが間接的に当たった場合や非鏡面反射でも起こることがあり、艶消し面での反射でも発生することがあります。このレベルのレーザ機器は細心の注意を持って扱われる必要があります。さらに、可燃性の材質を発火させることもあるので、火災のリスクもあるレーザであるとみなされています。クラス4のレーザには、キースイッチと安全保護装置が必要です。
全てのクラス2以上のレーザ機器には、上記が規定する標識以外に、この三角の警告標識が表示されていなければいけません。

Posted Comments:

mike antunes (posted 2020-10-18 13:29:49.597)

Could i get more information on this kit? I not sure how to send a message. thanks mike

nreusch (posted 2020-10-21 04:29:33.0)

Thank you for contacting us. In the BB84 protocol, Alice and Bob generate the key for the communication. With that key, the message is encrypted. To actually send the message, it is encoded in binary, meaning 0s and 1s. Then, a pulse with, e.g., 0° orientation is defined as “0” and 90° orientation is defined as “1”. You can find a description of the experiments of this kit by clicking on the “Experiment” tab on top of the page. The manual for this kit is also free for download. Chapter 6 features detailed examples of the entire process from key generation over the transmission to the detection of an eavesdropper. If you have any further questions, please contact your local tech support team.

cyasar (posted 2018-02-14 13:31:00.61)

Hello I am Cumali YAŞAR; I am a Ph.D. student at Çanakkale Onsekiz Mart University. I wrote a project on Quantum Key Distribution. The budget is low. We decided to buy "Quantum Cryptography Demonstration Kit" as a team. We need some information from you guys. Question -1: Do you send the technical specifications for the purchase? Question 2: Can the Quantum Cryptography Demonstration Kit be controlled by a computer? How do we get the results of the squeeze process. We thank you.

jkuchenmeister (posted 2018-02-14 10:07:57.0)

This is a response from Jens at Thorlabs: Question 1: I'll get in touch with you via e-mail. Question 2: At the moment, the experiment does not feature a computer control. The laser pulses are released manually. The information which detector responds is given by the signal LEDs at the top of the sensor units. Please note that there is no squeeze process. The kit is a purely classical demonstration kit with a pulsed laser. There is no actual quantum physics going on. However, since the polarization state of light is similar for a classical wave and single photons, students can go through the whole BB84 protocol (preparation of the state, measurement, etc.) to understand this protocol of quantum cryptography.

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