間近に迫る高速量子暗号化インターネット利用

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本記事は、Soon We Will be Using ‘High-Speed Quantum Encrypted Internet’を
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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2017年7月、中国で世界初の量子メッセージングおよびファイル共有サービスが開始されました。現在、オハイオ州立大学、デューク大学、オークリッジ国立研究所の研究者らは、既存技術よりも量子鍵を最大10倍の速度で生成、送信する新システムに取り組んでいます。

量子コンピューティングは、特に過去10年間で格段の進歩を遂げました。これにより、近い将来ハッカーが最も厳格なインターネットセキュリティ規格ですら突破できるような強力なマシンにアクセスできるようになるかもしれません。すなわち、サーバー上のすべての銀行取引、パスワード、重要なデータの攻撃に対する脆弱性が増すことを意味します。

このような将来の脅威に対処するために、科学者たちは、同じ高度な量子技術を実装し、量子データ暗号化を用いてシステムを理論的にハッキングできないようにするため取り組んでいます。これまでに1メガビット/秒の速度で量子暗号化コードを配布するというマイルストーンを達成しました。

既存システムの問題

量子鍵配送(QKD)は、陽子や電子などの単一物質を分析すると、その特性が変化するという量子力学の基本特性の1つに基づいて機能しています。セキュリティシステムでは、この特徴を利用して、許可された送信者と受信者の両方にセキュリティ違反について即座に警告することができます。

QKDの概念は新しいものではなく、1984年に最初に導入され、現在では大規模アプリケーションが現実に実装されつつあります。たとえば、中国では衛星を介して、1200km離れた2カ所の地上局間で量子鍵を配送しました。ヨーロッパの企業数社はQKD向けレーザーベースシステムの販売を開始しました。

ただし、このシステムの主な制限の1つは、10～100キロビット/秒という低い鍵配送速度です。この速度では、システムは動画配信や電話などの実用的な用途には利用できません。

新しいレベルの量子暗号

高速伝送の秘訣は、より多くのデータを光子に載せて、70％以上の検出効率と40ピコ秒未満のジッタを備えた高速検出器と組み合わせることにあります。

これは、位相と呼ばれる光子の特性と、光子が放出される時間を調整することによって実現されます。これにより、各光子に1ビットではなく2ビットのデータをエンコードすることが可能になりました。

次に、これらの光子を高速検出器とペアリングすることで、システムは他の手法より5〜10倍の速度でエンコードされたデータを送信できるようになりました。この手法を使用した複数のシステムを並行して実行し、電話通話や低品質の動画配信を提供するのに十分なインターネット速度を出しています。

セキュリティは万全か？

理想的なシナリオでは、セキュリティ違反の試みは全て送信エラーとして残り、受信者と送信者は簡単に検出できます。ただし、現実世界では完璧な機器はないため、攻撃者が悪用できる抜け穴が残る可能性があります。

科学者たちは、実験で使用したすべてのデバイスの欠陥を徹底的に分析し、システムのセキュリティを確保するために、これらの欠陥を理論に組み込むように取り組みました。

実験で使用されたすべての部品は、単一光子検出器を除き市場で入手可能なものです。光子は光ファイバーケーブルを介して配送できるため、送信機や受信機などの機器を既存インフラストラクチャに統合するのは容易です。また、自由空間量子チャネルに拡張することも可能です。

研究者によると、いくつかの変更を加えることで、システム全体を通常のCPUサイズの箱に収めることができます。実証された方法は、コヒーレント攻撃に対して堅牢であり、システム内でさまざまな実験的欠陥が検出されています。

実験のセットアップと技術的な詳細

量子フォトニック状態は、1,550ナノメートルで動作する周波数安定化連続レーザーによって生成されます。1台の位相変調器と3台の強度変調器を通過します。全体のセットアップは、10 GHzのクロックレートで動作するシリアルパターンジェネレーター(FPGA フィールドプログラマブルゲートアレイで設計) によって制御されます。

5GHzで動作するFPGAに位相ロックされた正弦波発生器は、66ピコ秒の周期的な光パルスを生成する強度変調器を駆動します。光パルスは、位相状態または時間ビンのいずれかのデータパターンを定義するために、FPGA パターンジェネレーターによって駆動される強度変調器(図中 IM 1)を通過します。

独立したFPGAチャネルによって駆動される第2強度変調器(IM 2)は、位相の振幅とおとり状態の調整を担当します。その後、さまざまな位相をエンコードするために、FPGAによって駆動される位相変調器(PM)を通過します。

位相と時間ビンの基底は、0.1と0.9の確率で選択されます。減衰器(ATT)は、レベルを単一光子レベルに下げるために取り付けられています。もう1つの減衰器を使用して、量子チャネルの損失をシミュレートできます。

受信側では、入力信号がビームスプリッターによって分割され、状態の10％が位相基底システムに、90％が時間基底測定システムに送られます。超伝導ナノワイヤ単一光子検出器は、両方の測定の基底に使用されます。検出結果は、50ピコ秒の時間分解能で時間-デジタル変換回路に取り込まれ、公衆チャネルを介して受信側のクロックと同期されます。