本研究開発は、総務省の「ICT重点技術の研究開発プロジェクト（JPMI00316）」と「グローバル量子暗号通信網構築のための研究開発（JPJ008957）」
並びに、内閣府の戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）「光・量子を活用したSociety5.0 実現化技術」
によって実施した成果を含む

NECにおける離散量並びに連続量量子鍵配送の実験の紹介
2024年7月17日
日本電気株式会社
アドバンストネットワーク研究所
川上哲生© NEC Corporation 2024

量子ICTフォーラム第31回量子鍵配送技術推進委員会

本発表の目次
1. 量子鍵配送(QKD)の概要とNECのQKD研究開発の取り組み
2. NECにおける離散量(DV)-QKD実験の紹介
3. NECにおける連続量(CV)-QKD実験の紹介

1.量子鍵配送(QKD)の概要とNECのQKD研究開発の取り組み

量子暗号とは？
量子暗号では、解読不可能なワンタイムパッド暗号に量子鍵配送(QKD)で共有した乱数列を供給して絶対安全な通信を実現する
鍵の使い方
理論的に解読不能な「一度限りの鍵」
で暗号化
盗聴しても解読不可能

数学的に証明済

情報理論による安全性保証

鍵の作り方
量子力学の特性を利用し離れた相手と「乱数」を安全に共有
盗聴されていない乱数で量子力学の特性()

安全な暗号鍵5© NEC Corporation 2024

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使用済みの使用済みの鍵を捨てる

鍵を捨てる離散量(DV)と連続量(CV)の二つのQKD方式
QKDは量子状態受信方法によってDVとCVの2種類に大別される
NECはDV/CV双方QKD技術の適材適所で柔軟なQKDネットワーク構築を目指す
量子状態の受信方法

DV-QKD方式 (Discrete Variable)

CV-QKD方式 (Continuous Variable)

直接検波
光子の有無という離散量を検出

コヒーレント検波
微弱コヒーレント光の振幅と位相という連続量を検出
微弱コヒーレント光

光子

LO光

鍵配送可能距離

○△

安全性

○

△

無条件安全プロトコルの実験実証済

無条件安全プロトコルの実験未実証

導入・展開の容易性△
QKD専用ファイバ必要装置大型○
QKD光を一般通信光と波⾧多重可能
装置小型、低コスト

NEC研究開発状況

製品実用化済み

研究開発中

6© NEC Corporation 2024

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NECのこれまでのQKD研究
NECは20年間にわたり研究を継続し、国内に主要研究拠点を持つ唯一の企業として総務省・情報通信研究機構（NICT）とともにQKD技術開発を牽引
2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

基礎研究

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

2023

2024

2025

事業化加速へ

国と連携した研究加速
セキュアフォトニックネットワー
ク技術の研究開発

2000~ NICT委託研究第I期（異機種接続）2022

NICT
東京QKDネットワーク拡張

NICT 情報通信研究機構
量子人工脳を量子ネットワークでつなぐ高度知識社会基盤の実現

2005~ 東京QKDネットワーク

ImPACT 革新的研究開発推進プログラム

光・量子を活用したSociety 5.0
実現化技術

世界最⾧100km単一光子伝送に成功

SIP

国内初相互接続実験成功
世界最⾧50km量子暗号鍵伝送に成功

戦略的イノベーション創造プログラ
ム
SIPｄ

グローバル量子暗号通信網構築のための研究開発

総務省

事業
商用環境実証BB84研究開発
国からの委託研究

7© NEC Corporation 2024

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CV-QKD研究開発
鍵管理・ネットワーク化技術

2. NECにおける離散量(DV)-QKD実験の紹介

代表的DV-QKDプロトコルである偏波変調BB84の概要1
 送信者Alice 暗号鍵と基底の2ビットをランダムに選択し、偏波変調光をBobに伝送+基底＋基底0or 1
LD

偏光変調器
×基底0orBobへ
1 伝送

×基底ビット０

横偏波＋45°偏波

ビット１

縦偏波

－45°偏波 受信者Bob 基底1ビットをランダムに選択し、伝送光の偏波を読み取る+基底Aliceより
×基底9© NEC Corporation 2024

00oror

基底選択スイッチ

11

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偏波スプリッタ+10偏波
スプリッタ+0×

HWP（45°回転）＋基底の検出系

1××基底の検出系

代表的DV-QKDプロトコルである偏波変調BB84の概要2
Alice/Bobの送受信結果の例

秘密鍵共有までのフロー

Alice送信ビット
Alice選択基底
Alice送信偏波

秘密鍵
シフト鍵

Bob選択基底Bob受信偏波
Bob受信ビット

選択基底一致時の両者のビット(シフト鍵)は盗聴がなければ必ず一致。
シフト鍵の一部の誤り率を確認し、盗聴者情報量を見積もり情報圧縮(秘匿増強)を行い、盗聴の無い乱数列である秘密鍵の共有を実現。
10© NEC Corporation 2024

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NECのtime bin変調デコイBB84装置
NECではより実用性を高めたtime bin変調デコイBB84装置の研究開発を行い製品実用化を完了させている
NECのtime bin変調デコイBB84装置の光学ブロック図
送信機 Alice

受信機 Bob
time bin変調器

半導体レーザ光源
パルス周期T

デコイ用
強度変調器

PLC遅延干渉計
時間差τ[s]

IQ変調器

光減衰器

伝送fiber

CPL

PLC遅延干渉計
時間差τ[s]APD_X1

製品実用化完了した装置写真
送信機

APD_X03dB CPLτ

APD_Z0APD_Z1

受信機

意匠取得済

2024年7月1日時点
11© NEC Corporation 2024

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位相差0
位相差

X基底測定

π
光子位置
前パルス
光子位置
後パルス

Z基底
測定

time bin変調実装の概要1
光子パルスの時間&位相差に情報を載せるtime bin変調BB84により、ファイバ伝送時偏波変動の影響を最小にしてシステム安定性を向上
偏波変動の影響大であるため偏波変調BB84のファイバ伝送は困難
受信機 Bob

時間差τの2連続パルス

周期Tの光パルス

送信機 Alice★X基底測定(位相差0,π測定)

τtime bin変調器
半導体レーザ光源
パルス周期T[s]

デコイ用
強度変調器

IQ変調器

X基底_time bin変調

Z基底_time bin変調

2連パルス間に位相差θ を付与

前後どちらか一方のパルス時間に光子1粒いるよう、2連続パルスの一方を消光θτθ =0、π12

PLC遅延干渉計
時間差τ[s]© NEC Corporation 2024orτ
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光減衰器

CPL

伝送fiber

PLC遅延干渉計
時間差τ[s]τ

再び時間差τ付与。
真ん中の時間窓で干渉発生し、位相差に応じて干渉計出力ポートが決まる

APD_X0APD_X13dB CPL★Z基底測定(パルス位置測定)

光子が前後パルスどちらにいるか測定
Z=0
Z=1

ττ

τ

APD_Z0APD_Z1

位相差0
位相差X基底測定

π
光子位置
前パルス
光子位置

Z基底
測定

後パルス

Y基底でなくZ基底測定を行い受信機干渉計を一つ不要にtime bin変調実装の概要2
光子パルスの時間&位相差に情報を載せるtime bin変調BB84により、ファイバ伝送時偏波変動の影響を最小にしてシステム安定性を向上
送信機 Alice

送受で同一の干渉計を使用

受信機 Bob
time bin変調器

半導体レーザ光源
パルス周期T

デコイ用
強度変調器

PLC遅延干渉計
時間差τ[s]

IQ変調器

光減衰器

伝送fiber

CPL

PLC遅延干渉計
時間差τ[s]APD_X0APD_X1

偏波無依存PLC遅延干渉計による装置耐環境性の向上
NECでは、偏波無依存なPLC(planarlightwave circuit)非対称マッハツェンダ干渉計を研究開発し、装置の偏波変動耐性を高めて耐環境性を向上させている
13© NEC Corporation 2024

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3dB CPLτ

APD_Z0APD_Z1

位相差0
位相差

X基底測定

π
光子位置
前パルス
光子位置
後パルス

Z基底測定

デコイ変調実装の概要1
ランダムに送信パルス強度比を変えて光源の多光子発生確率を見積もり、理想的な単一光子発生器ではない光源に用いた際の安全性を確保
送信機 Alice

受信機 Bob
time bin変調器

半導体レーザ光源
パルス周期T

デコイ用強度変調器

PLC遅延干渉計
時間差τ[s]

IQ変調器

光減衰器

伝送fiber

CPL

PLC遅延干渉計
時間差τ[s]APD_X1

PNS攻撃(Photon Number Splitting 攻撃)

半導体レーザなど実際に使用する光源は理想的な単一光子発生器ではないため平均光子数が１以下であっても確率的に2光子以上が発生する。
盗聴者は2光子以上が発生したパルスだけを狙って対策
光子を抜き取ることが原理的に可能
多光子発生確率を見積もり、PNS攻撃による盗聴情報量を定量的に推定
→デコイ法
14

© NEC Corporation 2024

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APD_X03dB CPLτ

APD_Z0APD_Z1

位相差0
位相差

X基底測定

π
光子位置
前パルス
光子位置
後パルス

Z基底測定

デコイ変調実装の概要2
ランダムに送信パルス強度比を変えて光源の多光子発生確率を見積もり、理想的な単一光子発生器ではない光源に用いた際の安全性を確保
送信機 Alice

受信機 Bob
time bin変調器

半導体レーザ光源
パルス周期T

デコイ用
強度変調器

PLC遅延干渉計
時間差τ[s]

IQ変調器

光減衰器

伝送fiber

CPL

PLC遅延干渉計
時間差τ[s]デコイ(おとり)変調

APD_X0APD_X1

送信光パルスの強度を3種類の中からランダムに選択
3種パルスの受信結果より光源の多光子発生確率を統計的に見積もり、PNS攻撃盗聴情報量を見積もって情報圧縮し、理想的でない光源を用いた際の安全性を確保

3dB CPLτ

APD_Z0APD_Z1・μ ＝ 0.5光子 / パルス
・μ’＝ 0.2光子 / パルス 程度15© NEC Corporation 2024

量子ICTフォーラム第31回量子鍵配送技術推進委員会

位相差0
位相差

X基底測定

π
光子位置
前パルス
光子位置
後パルス

Z基底測定

BB84装置による社会実装の取り組みBB84装置による社会実装を通じ、必要な場所に適切に安全に秘密鍵を提供するためのQKD周辺の様々な技術についても研究開発を実施

16

生体認証データの伝送保護

金融取引データ伝送保護

電子カルテデータの共有保護

設計データ、パラメータの伝送保護© NEC Corporation 2024

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3. NECにおける連続量(CV)-QKD実験の紹介

連続量量子鍵配送(CV-QKD: Continuous Variable QKD)とは
CV-QKDはコヒーレント検波により量子光の直交振幅を読み出すQKD方式
CV-QKDにより小型・低コスト・波⾧多重可能な装置の実現が期待される
CV-QKD受信機
CV-QKD送信機
送信光源

QPSK位相変調

位相変調器

光減衰器

CV-QKDプロトコル概要
Q

量子光
強度微弱
コヒーレント光

コヒーレント検波

量子ゆらぎのため直交振幅値は不確定
光強度減衰

I

状態の確実な判別は不可能

光強度が小さく状態の重なりが大きい時、どんな盗聴者も状態全てを誤り無く判別する事は出来ない
盗聴量を定量的に見積もり情報圧縮する事で、盗聴ゼロの秘密鍵共有が実現できる
18© NEC Corporation 2024

伝送路

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微弱な量子光の直交振幅をLO光で増幅検出●普及光通信装置と同じ受信方法で、装置の小型・低コストが期待●LO光波⾧フィルタリング作用で、QKD光と一般光のWDM実現が期待

LO光受信光源

微弱なQKD光とLO光の位相同期をいかに実現するか？
が、CV-QKDの重要な課題

CV-QKD研究トレンドの遷移
QKD光とLO光の位相同期方法でこれまでのCV-QKD研究トレンド遷移を分類
広域QKDネットワーク実現を目指し、 NECはDSP CV-QKDの研究に注力している
セルフホモダイン方式
送信機

量子光

受信機

ヘテロダイン方式
光PLL CV-QKD
送信機

送信光源を量子光とLO光に分割伝送
位相同期不要◎ 実装が容易× LO光伝送減衰で距離制約あり
× 伝送LO光に攻撃の可能性あり© NEC Corporation 2024

受信機

参照光LO光

19量子光イントラダイン方式
DSP CV-QKD
送信機

量子光受信機参照光

量子光とLO光を
光PLLでアナログ同期

量子光とLO光を
Digital Signal Processingでデジタル同期◎ LO光伝送無し
× 光アナログ位相同期実装困難◎ LO光伝送無し○ 広く普及する光通信装置と互換な構成が可能であり、更なる小型・低コストによりscalableなQKD装置実現が期待

量子ICTフォーラム第31回量子鍵配送技術推進委員会

DSP-CV-QKDによる広域QKDネットワークの実現
小型低コストで波⾧多重可能なDSP-CV-QKDにより、既存光ネットワークをフル活用して広域QKDネットワークを実現する
従来の専用線QKDネットワーク

DSP-CV-QKDによる既存光NW活用した
広域QKDネットワーク

一般光用ファイバ

QKD送信機QKD専用ファイバ

Photondetector

QKD受信機QKDネットワーク広域化は困難

トラステッドノード
QKD on一般光用ファイバ

QKDネットワーク広域化のため、既存光NWへの影響最小なCV-QKD導入方法の検証が必要
20© NEC Corporation 2024

量子ICTフォーラム第31回量子鍵配送技術推進委員会

NECのDSP-CV-QKD系の概要
既存光NWを活用した広域QKDネットワーク実現に向け、DSP-CV-QKD系を構築して既存信号光とCV-QKD光の最適な共存方法について研究を行っている
DSP-CV-QKD受信機

DSP-CV-QKD送信機

DSP

変調器
ドライバ
LD1DP
IQ変調器

バランス X’I
検出器

伝送路

光減衰機

偏波多重QPSK光
X偏波が量子光、Y偏波が参照光

光SW

LD2

DP
90deg
HybridLO光バランス X’Q
検出器
バランス Y’I
検出器

X偏波

X’偏波

ADC

Y’偏波

CLK
抽出21

© NEC Corporation 2024

量子ICTフォーラム第31回量子鍵配送技術推進委員会

XQ ビ

偏波
分
離バランス Y’Q
検出器

XI

Y偏波

位相同期ットYI 読取YQ

シフト鍵①DSP復調前
NECのDSP-CV-QKD系の概要
X’偏波

X偏波
(量子光)

Y’偏波

③位相復調後(データ色分)②偏波分離後
Y偏波
(参照光)

Y偏波
(参照光)

X偏波
(量子光)

既存光NWを活用した広域QKDネットワーク実現に向け、DSP-CV-QKD系を構築して既存信号光とCV-QKD光の最適な共存方法について研究を行っている
DSP-CV-QKD受信機

DSP-CV-QKD送信機

DSP

変調器
ドライバ
LD1

バランス X’I
検出器

伝送路

DP
光減衰機
IQ変調器

偏波多重QPSK光
X偏波が量子光、Y偏波が参照光

光SW

LD2

DP
90deg
HybridLO光バランス X’Q
検出器
バランス Y’I
検出器

X偏波

X’偏波

ADC

Y’偏波

CLK
抽出22© NEC Corporation 2024

量子ICTフォーラム第31回量子鍵配送技術推進委員会

XQ ビ

偏波分
離バランス Y’Q
検出器XI

Y偏波位相同期

ット
YI 読取YQ

シフト
鍵★ショット雑音キャリブレーション

伝送光を遮断して光子数ゼロの真空状態の直交振幅値(ショット雑音)を測定し、NECのDSP-CV-QKD系の概要系の量子ゆらぎによる直交振幅値の不確定量を確認する。
復調した量子光について、既存光NWを活用した広域QKDネットワーク実現に向け、DSP-CV-QKD系を構築し量子ゆらぎによる不確定量と比べた際の余分な分布の広がり(過剰雑音)を測定し、過剰雑音を用いて盗聴者の得た情報量を見積もるて既存信号光とCV-QKD光の最適な共存方法について研究を行っている 過剰雑音
ショット雑音

復調量子光

伝送光遮断

DSP-CV-QKD受信機
量子ゆらぎによる直交振幅不確定量

DSP-CV-QKD送信機

変調器
ドライバ
LD1

DP
IQ変調器

光減衰機

光SW

LD2
ショット雑音(量子雑音)
キャリブレーション用光スイッチ

DP90deg
HybridLO光スイッチon(透過)：量子光測定スイッチoff(遮断)：ショット雑音測定
23© NEC Corporation 2024

DSP

バランス X’I
検出器

伝送路

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いかなる盗聴も過剰雑音の増加を引き起こす→過剰雑音により盗聴量見積を行う

伝送光透過バランス X’Q
検出器
バランス Y’I
検出器

X偏波

X’偏波

ADC

Y’偏波

XQ ビ

偏波
分
離バランス Y’Q
検出器
CLK
抽出

XI

Y偏波

位相同期ット
YI 読取

YQ

シフト
鍵

NECのDSP-CV-QKD系の最近の研究
DSP-CV-QKD光と高出力大容量信号光のガードバンド無し波⾧多重を行い、既存光信号の運用に影響の無いCV-QKD導入が可能である見込みを得た
伝送光スペクトルと一般光FEC前BER
6×400G
DP-16QAM

5×400G
DP-16QAM
FEC限界
BER=0.02

さきほどのDSP-CV-QKD送信機

さきほどのDSP-CV-QKD受信機

T. Kawakami, et al., “No-guard-band integration of a digital coherent CV-QKD system
into 400 Gbits 75 GHz grid DWDM systems,” OFC.2024.M3H.3 (2024)
24© NEC Corporation 2024

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1.25GBaudDP-QPSK
量子＆参照光QKD波⾧への混入光強度の伝送距離特性
QKD波⾧混入光強度が距離に対して単調減少せず、混入光成分のうち非線形光成分が支配的である事を確認した
MUX/DEMUXフィルタのBPF、BSF特性

伝送ファイバ⾧0~75 kmの一般光スペクトル
キャリアレベル単調減少

87 GHz

40 dB

87 GHz25 dB

25© NEC Corporation 2024

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QKD波⾧
混入光強度単調減少せず

ASE光レベル単調減少

波⾧多重伝送系における過剰雑音の特性評価
QKD波⾧への混入光のうち支配的なのは自発ラマン散乱光である事、過剰雑音においても自発ラマン散乱光による雑音が支配的である事を確認した
混入光強度と過剰雑音の伝送距離特性
混入光強度は25㎞で最大自発ラマン散乱光が支配的

波⾧多重時過剰雑音も25kmで最大
自発ラマン散乱光による雑音が支配的

混入光強度

26

© NEC Corporation 2024

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過剰雑音

高密度波⾧多重下でのCV-QKD秘密鍵生成率見積もり
ガードバンドレス波⾧多重下において0~75 kmで秘密鍵生成可能な事と、秘密鍵生成率の距離特性は自発ラマン散乱光特性に基づき決まる事を明らかにした
波⾧多重有無での見積もり秘密鍵生成率

伝送⾧0~75 kmにおいて秘密鍵生成率≧19.9 kbps

混入光強度大の25~50 ㎞で波⾧多重時秘密鍵生成率劣化量が大※下記秘匿増強プロトコルでエンタングルクローナー攻撃対応の秘密鍵生成率を見積もった

H. Zhang et al., Phys. Rev. A 86, 022338 (2012).

27© NEC Corporation 2024

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発表のまとめ

弊社のDV-QKD装置

 離散量量子鍵配送(DV-QKD)装置と連続量量子鍵配送(CV-QKD)装置のそれぞれについてNECでの実装方法について概要説明を行った。
 弊社NECはDV/CV双方のQKD技術を有しており、DV-QKDは製品実用化が完了し、CV-QKDは既光NW活用した広域QKDネットワーク実現のための研究中である。
双方の方式の適材適所で柔軟で広域なQKDネットワーク構築を目指す

28© NEC Corporation 2024

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