量子セキュア通信とは何ですか? （次）：光に乗って、空へ昇り、大地へ降りる！

制作：中国科学普及協会

著者: ルアン・チュンヤン (清華大学物理学科)

プロデューサー: 中国科学博覧会

量子鍵配送 (QKD) に関しては、量子力学を基盤とし、絶対的なセキュリティを目指し、この目標を達成するために量子もつれを利用する、驚くべき科学分野に足を踏み入れることになります。量子鍵配布方式では、量子もつれが重要な要素であり、機密通信において中心的な役割を果たします。

量子鍵配布の基本原理は、通信する双方が協力して量子状態の準備と測定を通じて安全に鍵を生成し共有することです。このプロセスは、キーの機密性を保証するだけでなく、盗聴者が通信を妨害しようとしているかどうかも検出します。

サイバーセキュリティコンセプトマップ

（写真提供：Veer Gallery）

量子鍵配布方式は、計算の複雑さではなく量子力学の基本原理に依存しているため、理論的には絶対に安全な通信方法であると考えられています。これは、将来のコンピューティング技術がどれだけ強力になっても、量子鍵配布方式によって生成された鍵を解読することは不可能であることを意味します。

約 40 年の開発を経て、量子鍵配布ソリューションは研究室から出てエンジニアリングの構築を開始し、現代の安全な通信のための強力な「量子シールド」を実現しました。一部の国や地域では、通信のセキュリティを向上させるために、都市間通信ネットワークに量子鍵配布システムを導入しています。

量子鍵 - 光を使って情報セキュリティを保護する

一般的に言えば、量子鍵配布方式は、絶対的に安全な機密通信を実現するために 2 つの要件を満たす必要があります。

1 つ目は、通信ごとに新しいキーを生成する必要があることを保証するために、「ワンタイム、ワンパッド」暗号化方式を採用する必要があることです。 2つ目は、毎回生成される鍵が通常の鍵ではなくなり、量子力学の基本原理を使用して準備する必要があることです。

したがって、量子鍵配布方式には、暗号化された情報を送信するための古典的なチャネルと、復号化された情報を配布するための量子チャネルの2つの通信チャネルが必要です。この特別な鍵は「量子鍵」とも呼ばれます。

量子鍵配送方式の概略図

（画像出典：参考文献[1]）

そこで疑問となるのは、どのようにして適格な「量子鍵」を実験的に準備するかということです。

実際、光はほぼ完璧な量子鍵です。これは光の伝播速度が非常に速く、即時通信の要件を満たすことができるためです。さらに、単一の光子を特定の状態に準備して、さまざまな情報をエンコードし、共有可能な量子キーを形成することもできます。

したがって、単一の光子を量子キーとして使用して、量子チャネルでの高速情報転送を実現できます。

赤色レーザービーム

（写真提供：Veer Gallery）

多数の光子を得るのは簡単ですが、単一の光子を生成するのは簡単ではありません。これは、単一の光子のエネルギーが約 3×10^-19 ジュールと非常に低いためです。

出力 10 ワットの通常の懐中電灯は、わずか 1 秒間の光線で約 3×10^19 個の光子を放出します。したがって、一度に 1 つの光子だけを生成するには、非常に特殊な単一光子源が必要です。

さらに困難なのは、単一光子のエネルギーが極めて低く、空気などの媒体によって吸収され失われやすいため、単一光子の有効伝播距離が大きく制限されることです。

したがって、量子鍵配布方式では、鍵の送信に単一光子を使用するため、環境に対する要件が比較的高くなります。

しかし、我が国の科学者や技術者は並外れた知性と創意工夫を発揮し、光子を「地面に」そして「空に」運び、量子セキュア通信の工学的応用を実現しました。

光子が「地面に降り立つ」 - 光ファイバーに基づく量子セキュア通信

北京と上海の間で秘密通信を実現したい場合、単一の光子が 2,000 キロメートル以上の距離を移動する必要があるだけでなく、重要な情報を失ってはならないことを想像してください。

例え話で言えば、単一の光子は重要な情報を積んだ車のようなものです。光子が空気中を伝播するだけであれば、車が普通の荒れた未舗装道路を走るだけの場合と同じように、車の燃料はすぐに尽きてしまいます。

そこで、科学者や技術者たちは高速道路にヒントを得て、通信当事者間のポイントツーポイントの鍵伝送を実現するために、単一光子専用の光ファイバー チャネルを構築することを決定しました。

上空から見た高速道路

（写真提供：Veer Gallery）

実際、1993年には英国の研究チームが単一光子を鍵として使用し、光ファイバーで10キロメートルの距離にわたる量子鍵配布を実現しました。

その後、2004年に日本の研究チームも光ファイバーチャネルを使用して量子鍵配送の距離を150キロメートルまで延長しました。

2008年、EU12か国の研究チームがウィーンで、8人のユーザーが量子セキュア通信に使用できる欧州量子通信ネットワーク（SECOQC）の構築に成功しました。

光ファイバー伝送に基づく量子セキュア通信の分野でも、中国の研究チームは一連の喜ばしい進歩を遂げている。

2005年、中国科学技術大学の郭光燦氏の研究チームは光ファイバーチャネルを使用して、北京と天津間の125キロメートルの距離で量子セキュア通信を実現しました。その後、2012年に中国科学技術大学の潘建偉氏の研究チームも合肥市に「合肥都市量子通信実験デモンストレーションネットワーク」を構築し、数十人のユーザーが量子セキュア通信に利用できるようにした。

合肥都市圏量子通信実験実証ネットワーク

（写真提供：The Paper）

しかし、光ファイバーによる単一光子の伝送には依然として一定の損失があるため、単一の光ファイバーの最大有効伝送距離が数千キロメートルを超えることは常に困難でした。

これは、北京・上海高速道路を走行中のキーを積んだ車のようなものだが、車自体の燃料では走行距離を伸ばすことができないため、高速道路上のサービスステーションで燃料補給などのサービスを受ける必要がある。

同様に、単一の光子を超長距離で伝送する場合、継続的な「中継」を提供する中継局も必要です。

そのため、北京と上海の間で2,000キロメートルを超える量子セキュア通信を実現するには、中継局を使用して「中継」し、単一光子が量子鍵の配布を正常に完了できるようにする必要があります。

「北京・上海幹線」プロジェクトの概略図

（画像提供：中国科学院）

2017年、中国科学院などの機関による4年間の共同努力の結果、北京から上海までの「光ファイバー量子通信バックボーンネットワークプロジェクト」がついに承認され、商用運用が開始されました。この量子セキュア通信回線は、「北京・上海幹線」とも呼ばれています。

「北京・上海幹線」には、途中に「中継」するための中継局が32か所設置されており、中継局内での情報セキュリティは、ネットワーク分離などの機密保持方式によって実現されています。

1,000キロメートル以上の距離での量子鍵配送実験の符号化率の結果

（画像出典：参考文献[2]）

もちろん、中継局を回避できれば、量子セキュア通信は構築コストを削減できるだけでなく、中継局が侵入されるリスクを根本的に排除することもできます。 2023年5月には、中国科学技術大学、清華大学、中国科学院などの研究チームが協力し、中継局なしで光ファイバーで最大1,002キロメートルの距離にわたる量子鍵配布を実現した。

これは、中国の研究チームが光ファイバーで中継なしで最長の量子鍵配布の世界記録を樹立しただけでなく、都市間の量子セキュア通信のための新世代の信頼性の高いソリューションを提供することを期待していることを意味します。

光子は「宇宙へ」 - 量子通信衛星

実際、量子鍵配布の距離を伸ばすために「地上に行く」（光ファイバー伝送を使用）ことに加えて、単一の光子は「空に行く」（量子通信衛星を使用）ことで地表空間の制限を打ち破り、地上と衛星間の量子セキュア通信を実現することもできます。

量子通信衛星を使って単一の光子を宇宙に送るなんて信じられないと思う人もいるかもしれません。

実際、地球の表面の空気は主に地面から 100 キロメートル以内にあり、高度が上がるにつれて徐々に薄くなります。しかし、空気が極めて薄い衛星軌道空間では、空気の吸収などの影響で光子1個が減衰することはほとんどありません。

地球に信号を送る衛星

（写真提供：Veer Gallery）

そのため、夜間の気象条件が良好であれば、地表空気を介して単一光子を量子通信衛星に送信し、量子通信衛星が信号を中継して最終的に単一光子を地表空気を介して返すことで、超長距離の量子鍵配布を実現できます。どうですか？ちょっとSF映画っぽい雰囲気がしませんか？

「墨子」衛星は7,600キロメートルを超える大陸間量子通信を達成した

（画像出典：参考文献[3]）

実際、オーストリアとイタリアの研究チームは、2008年にすでに単一光子を「空に」送る試みを始め、衛星によって地球に反射された単一光子信号を初めて特定することに成功しました。

2016年、中国科学技術大学などの研究チームは世界初の量子科学実験衛星「墨子号」の打ち上げに成功し、 7,600キロメートルに及ぶ大陸間量子鍵配送実験を実施し、超長距離量子セキュア通信の研究分野を開拓した。

サイエンス誌の表紙に「墨子」

（画像出典：サイエンス誌）

将来は明るい - 量子通信の時代へ

量子セキュア通信技術が成熟するにつれ、もともと非常に素晴らしい科学的概念が徐々に私たちの現実の生活に入り込んできています。

単一光子に基づく量子鍵配布技術は、「空に行く」や「地面に行く」などの方法を採用することで空間的制限を打ち破り、フルドメインの量子セキュア通信の究極の実現に無限の可能性を提供します。

「北京・上海幹線」における量子鍵配送の模式図

（画像出典：参考文献[4]）

「北京・上海幹線」や「墨子」など一連の代表的な成果が次々と生まれたことにより、中国チームの量子セキュア通信の研究は世界をリードするレベルに達した。近い将来、さらに多くの光ファイバーチャネルと量子通信衛星が相互接続され、最終的には地球規模のフルドメイン量子セキュア通信ネットワークが実現されると信じています。

量子セキュア通信時代の到来に期待しましょう！

参考文献

[1] バトラーWT、ヒューズRJ、クワットPG、他自由空間量子鍵配布[J]。フィジカルレビューA、1998年、57(4):2379。

[2] Liu Y、Zhang WJ、Jiang C、et al. 1000kmのファイバー距離を越える実験的ツインフィールド量子鍵配布[J]。フィジカルレビューレターズ、2023、130(21): 210801。

[3] Liao SK、Cai WQ、Handsteiner J、他。衛星中継大陸間量子ネットワーク[J]。フィジカルレビューレターズ、2018年、120(3):030501。

[4] Chen YA、Zhang Q、Chen TY、他。 4,600キロメートルを超える統合宇宙対地上量子通信ネットワーク[J]。ネイチャー、2021年、589(7841):214-219。