459 AUG 2016

No.

量子で拓く情報通信の新しい地平

No.459 AUG 2016
国立研究開発法人情報通信研究機構

CONTENTSFEATURE

1

量子で拓く情報通信の新しい地平
Interview

量子が導く情報通信の広大な沃野
佐々木 雅英4 量子情報通信

通信・計測の極限技術を追求する

武岡 正裕

6 絶対安全な通信を目指して
量子鍵配送ネットワークの研究開発

藤原 幹生

8 従来の限界を打破する量子通信の実現を目指して
光子・原子の極限制御技術の開発

早坂 和弘／和久井 健太郎

10 超伝導回路で探る量子物理の世界

物質と光の相互作用を光子１個レベルで解き明かす

仙場 浩一

TOPICS イヤレス・テクノロジー・パーク2016 開催報告
12 ワ
Interop Tokyo 2016 出展報告

13 Awards
INFORMATION

14第5回 NICTオープンハウス2016 開催のお知らせ

表紙写真
レーザー光を鏡の間で往復させて蓄えるための光共振器とその中心に配置された非線形光学結晶。蓄えられて高強度となったレーザー光による非線形効果を用いて「量子もつれ光子対」が生成されます。

Newh o r iz o nofq u a n t u m -i n s p i r e d I C T

量子で拓く情報通信の新しい地平

Interview

量子が導く情報通信の広大な沃野

従来のコンピュータの1億倍高速な演算というのは、必ず、それ以上は分割できな能力を持つという量子コンピュータ。決しいつぶになる。面白いことに、この「つぶ」て破られることがないという量子暗号。情は、我々が普段接している物とはまったく

報通信に革新をもたらす可能性がある存在

違う振る舞いをします。例えば、とある経として、「量子」の考え方が大きな注目を路にパチンコ玉を転がした場合、分岐があ集めている。従来の技術との違いはどこにれば、パチンコ玉は必ずどちらか一方に行あるのか。また、どのようなところから実くはずです。しかし量子の世界では、「つ用化されていくと考えられるのか。未来

ぶ」が1つであるにもかかわらず、その分

ICT 研究所の佐々木雅英主管研究員にお話岐の両方に「存在する」状態を示すのです。

を伺った。

そうなると、もうパチンコというゲームは成り立ちません。根本的なルール自体が変

■
「量子」
とは、
「量子ICT」とは何か

佐々木 雅英（ささき まさひで）
未来 ICT 研究所 主管研究員
NICT フェロー
大学院博士課程修了後、NKK（現 JFE ホール
ディングス）
勤務を経て1996年に郵政省通
信総合研究所（現 NICT）入所、量子情報通信技術の研究開発に従事。博士（理学）。

わってしまっているからです。
しかし、こうした現象をうまく工夫して── 近年、新しい技術のキーワードとして使えば、古典的なルールに従って構築され耳にすることが増えた「量子」という言葉ていた計算や通信とはまったく違う、革新

ですが、そもそも、「量子 ICT」とはどう的なものができる。それが、量子コンピューいうものなのでしょうか。

タや量子暗号に代表される、量子 ICT なのです。

佐々木 「量子」とは、「ものを計る最小単位」という意味です。例えば、我々が普段日常生活で接する電気は、電流が何アンペ■量子 ICT の研究が目指すもの

アであるとか、電圧が何ボルトであるとか、──これまでの体系を、新しいルールにのっといった測り方をします。しかし、極微細とってすっかり塗り替えていく可能性があなデバイスを作って、そこで電流や電圧をる研究というわけですね。そうしたなかで、測ろうと思うと、ちょっと様子が変わって

特にテーマと言えるものは何でしょうか。

きます。それまでは「ツマミを回すと連続情報通信には、大きな2つの課題

的に変化する」量であったものが、どんど

佐々木

ん小さくしていくと、ある段階から急に離があります。

散的な振る舞い、飛び飛びの値が出てくる

まず1つは大容量化です。通信量は増加のです。これはその段階で、電子というその一途をたどっており、どうやってその増れ以上は分割できない「つぶ」の動きを見えてくる情報を処理するのか。いかに少なているために、そうなるのです。

いエネルギーでより多くの情報を伝送する

あるいは、レーザーポインターから出てかという、伝送効率の問題ですね。特に量いる光もそうです。これもどんどん減衰さ子 ICT の分野からこの問題に応えるのが、せていくと、最終的には雨だれのように途

量子通信という分野です。

切れ始め、飛び飛びの振る舞いをする1個1個の「つぶ」、光子になる。
こんなふうに、我々が普段使っている量

もう1つはセキュリティの問題です。大量の重要情報がネットワークでやり取りされる今日、情報の漏洩は致命的な事態を招NICT NEWS AUG 2016

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量子で拓く情報通信の新しい地平
Interview

量子が導く情報通信の広大な沃野

きかねません。漏洩を防ぐ具体的な方策は「重ね合わせ」の現象を利用したものです。

情報の暗号化ですが、これを量子の概念をしかし、これは極めてデリケートな現象で、使って行うのが量子暗号です。特に実用化

外乱がまったくない状況下でしかその効果── 研究そのものも、既存の技術からどんという点では、量子暗号は目前の段階までを得られないため、現在は、まだ実験室のどん離れていく感じなのでしょうか。

来ており、企業によるユーザ環境での試験

中でようやく扱うことができるという段階運用も始まっています。

です。しかし今後10年、20年経って、こ■既存分野にも大きな広がりをもたらす

佐々木 いいえ。それはまったく違います。

量子暗号のキーワードは「絶対に傍受での技術を受信機に組み込んで使えるように

一つひとつの「つぶ」を制御できるようきない」ことです。
「不確定性原理」といなれば、伝送効率が今よりも千倍や1万倍、にすれば新たなルールで動くけれども、そう法則に従う光子1個1個に情報を載せる

場合によっては100万倍にもなるという、の手前、つまり多くの「つぶ」の集まりでことで、測ろうとすること自体が光子の状非常に有望なものでもあります。さらに、あれば、古典的なルールに従います。この態を変えてしまう、つまり盗聴しようとす

計測標準技術にも革新をもたらします。

分野の研究者は、その両方を見ています。

ると必ずそれが判ってしまうという機能をというわけで、我々の研究は、まだ実験それだけに、我々は今までの ICT という体

実現できます。これが、従来の暗号にはあ室のレベルですが、遠い将来を見据えてやっ系を最も広い視点から見ているという自りえない革新的な違いと言えます。

ている量子通信と、半ば実用化の域に達し負があります。もっと言えば、これまでのている量子暗号の両方があります。

ICT をすべて包含しているとさえ言えると一方の量子通信は、先に述べた、「つぶ」
が2つの状態に同時に存在する、いわゆる思っているのです。
実際に、量子 ICT に取り組む中で、そこから翻って、従来の暗号技術や従来のネットワーク技術の分野でも、きちんと独創的な論文や特許が書けるような広がりが出てきています。
最近の例では、量子暗号で開発した乱数生成技術を応用して秘匿ドローン通信技術の実証実験に成功しています。ドローンは様々な用途で利用が始まっていますが、その制御通信やデータ通信のセキュリティ対策は十分ではなく、安全性の確立は大きな課題となっています。我々の技術は、乱数によるワンタイムパッド暗号化を用いることで、理論上、最高強度の暗号を最軽量でドローンに実装することができます（図1参照）。報道発表をしても、まさか我々のチームだとは思われず、例えばワイヤレス
ネットワーク分野の方に問い合わせが行ってしまったりするのですが（笑）。
量子 ICT の研究は、情報通信の根幹の原

図1

2

秘匿ドローン通信技術。物理乱数源で生成した真性乱数を暗号鍵としてドローンとコントローラに供給し、制御信号のパケットを毎回暗号化します。一度使った暗号鍵は2度と使いません（ワンタイムパッ
ド暗号化）。また、ユーザ認証やメッセージ認証にも真性乱数を用いて最強の安全性を確保しています。

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理を追求していくので、その過程で、従来の暗号技術やネットワーク技術にとっても新知見や発見がもたらされるわけです。こ

図2

れらの成果は、電磁気学や情報理論、暗号技術の言語で書かれていて、まだ量子の性

量子 ICT とは、電磁気学、情報理論、暗号技術に更に量子力学まで取り入れて突き詰めた情報通信技術であり、セキュリティ技術、ネットワーク技術、計測標準技術に新たな地平を切り拓くものと期待されています。

質を使ったものではありませんが、これまでのネットワークの接続性や安全性を向上させる新しい技術になっています。我々は佐々木ものによっては「これのどこが量

イティングな手ごたえのある分野です。近いずれ、それを一段掘り下げて、さらに量子なの」などと言われることもありますが、年、衛星やドローンを使った新しいネット

子の言葉に拡張したいと思っています。そ我々にとっては、対象が量子 ICT であれ、ワークの構築に向けて、ネットの巨人といの先に情報通信の沃野が広がっており、こ従来の ICT であれ、フロンティアであるこ

われる企業が総力を挙げて研究開発に取りれまで見たことのない新しい地平が拓かれとには変わりがない。実際、既存技術と量組み始めています。まだ、ネットの接続性

ると思います（図2参照）。それが量子 ICT

子通信の概念をハイブリッドすることで、や利便性の追及が優先されているように見をやっていて、最近とてもエキサイティン「物理レイヤ暗号」といった今後のネット

えますが、セキュリティも決して後回しにグだと思える部分です。

ワークに革新をもたらし、そして量子通信はできません。この点に関しては、我々がよりずっと早く実用化の域に達しそうな新トップランナーであるという自負もあり、たな技術も誕生してきています。

その面から、学術的にも実用上も有用な成で既存分野への展開もある。非常に幅広「量子の視点」から取り組む情報通信の果を出して貢献していきたいと思います。

く、やりがいもある研究ですね。

研究は、非常にダイナミックかつ、エキサ── 量子 ICT そのものの研究もあり、一方

M
LU
O
C

N

グローバルセキュアネットワーク構築に向けた
物理レイヤ暗号の研究開発
究極の伝送効率を目指す量子通信と、究極の秘匿化を目指す量子暗号は、これまで独立に研究開発が行われてきました。
秘匿性の実現には、暗号化のために余分な帯域や符号化が必要なので、高い秘匿性を要求すると伝送効率はどうしても犠
牲になります。その意味で量子通信と量子暗号は、情報通信の両極限にある技術ですが、両者の利点をうまく組み合わせたものが物理レイヤ暗号という技術です。これは、通信路の特性に応じて伝送効率と秘匿性のバランスを最適化する方式
で、光はもちろん他の電磁波帯でも使える汎用的な技術体系です。特に、衛星やドローンを用いた新しいグローバルセキュ
アネットワークを構築する際のコアとなる技術です。我々は2014年に東京光空間テストベッドを構築し、物理レイヤ暗号の実証的な研究開発に取り組んでいます。

東京光空間テストベッドの NICT ターミナル（本部3号館屋上）と研究開発チームの主要メンバー。通信のほかセンシングにも使える全天候型スキャナを搭載したコンテナシステムです。電気通信大学に設置された光ターミナルと地上 8 km の光空間リンク
を構成し、物理レイヤ暗号や新しいセンシング技術の開発を行っています。

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量子で拓く情報通信の新しい地平

量子情報通信通信・計測の極限技術を追求する

現 された物理法則に基づいて設計されます。一方、通信のセキュリティについてていますが、通信容量の限界や暗号解読のンピュータ技術等の発展により解読されて危機など、将来的に性能限界を迎えることしまう危険性が指摘されています。

在の情報通信技術は19世紀に確立が危惧されています。その限界を打破するも、現在の一般的な暗号方式は、将来のコ

これに対して近年、量子力学という原子

ため、NICT では究極の物理法則である量や電子、光子などミクロな世界を扱う最新

子力学に基づく新しい情報通信技術「量子の物理学を駆使した情報技術が実現できれ情報通信技術」や、その応用技術の研究開ば、従来技術では不可能な安全性を実現

発を進めています。ここではその概要を紹する「量子暗号」や、現在のコンピュータ介します。

では何万年もかかる計算を短時間で実行する「量子コンピュータ」など、抜本的な技■量子情報通信

武岡 正裕（たけおか まさひろ）
未来 ICT 研究所
量子 ICT 先端開発センター
センター長
大学院博士課程修了後、2001年に独立行
政法人通信総合研究所（現 NICT）入所、
量子光学、量子情報理論、量子暗号の研究に従事。博士（工学）。

現代の情報通信技術の発展は目覚ましいものがあり、今も日々進歩し続けています。

始されています。
NICT では、この中で特に通信に関わる

来性能限界を迎える可能性も指摘されてい技術から2つの研究テーマを設定し「量子ます。例えば、光ファイバーに入力できる

光ネットワーク技術」、「量子ノード技術」

レーザーの電力には物理的限界があり、と名付けて研究開発を進めています。図1、

また宇宙での通信が超長距離化すれば、信2に、その概要を示します。

図1 量子光ネットワーク技術の概要

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は、21世紀に入り世界各地で本格的に開一方で、現在の技術体系の延長上では、将号が弱すぎて正確に受信できなくなってき

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術革新が可能になることが次々に予言されました。こうした量子情報技術の研究開発

■量子光ネットワーク技術
現在、社会の様々な場面で暗号が用いられていますが、将来的な計算技術の革新に
よって解読されてしまう危険性があります。
これは、国家情報や医療情報など、機密情報の通信では重大な問題となってきます。

図2 量子ノード技術の概要

この問題を抜本的に解決するため、NICT
では究極の暗号通信と呼ばれる「量子暗子的に受信、処理するために必要な種々の号」を中心に研究開発を進めています。量極限技術を研究しています。特に、光の量

子暗号は、どれほど強力な計算能力を使っ子状態を制御する「光量子制御技術」、原ても解読不可能な安全性を保証する情報理子やイオンを1つずつ制御して量子通信や論的安全性と、どのような物理的な盗聴攻

周波数標準技術に応用する「量子計測標準撃（例えば光ファイバーから一部の信号を技術」、マクロサイズの人工原子である超抜き取ってしまうなど）に対しても安全性

伝導回路を使い、光と物質の相互作用を光を保証する物理的な盗聴に対する安全性と子1個レベルで精密制御する「超伝導量子いう、現在の暗号方式にはない大きな特長

回路技術」の3つが中心的な研究課題です。

があります。これらを、光の量子力学的な

詳細は本号の記事で紹介されていますが、図3 量子鍵配送の鍵生成レートの限界と伝送距
離。BB84は現在最もスタンダードな量子鍵配送方式。我々の示した原理限界は、今後どのような優れた新方式を考案したとしても超えられない限界があることを示している。

性質を使うことで実現できるのが量子暗号

いずれも量子物理学そのものを開拓する未ネットワークです。具体的な内容は、本号

来技術であり、まだ誰も完全には実現して能を追求すべきか、またどこからは元々追の記事を参照ください。また、NICT では

いない挑戦的な課題です。

求してはいけない領域なのか、といったベンチマークを与えるもので、今後の技術開量子暗号に限らず、物理的な雑音を利用した情報理論的に安全な通信を、ドローンや衛星のような無人の移動体、空間光通信など、社会の様々な場面に実装するための研究開発も進めています。

■量子ノード技術■おわりに量子情報の研究開発を進めるには、理論発における重要な指針となります。本研究
成果は、Nature Communications 誌 * に掲載されています。

研究も重要です。現在のデジタル通信技術

量子情報通信技術は、物理学やデバイス

は、1948年にシャノンがその原理限界と工学、通信工学、セキュリティ技術、情報

可能性を理論的に明らかにしたことで、今理論など様々な分野の境界にある新しい技

日の発展を迎えています。量子情報通信術であり、NICT 内の様々なバックグラウ

こちらはより長期的な基礎研究開発では、シャノンの情報理論に量子力学を取りンドを持つ研究グループが共同して研究開す。光通信の極限的な性能を引き出すため入れた新しい理論で体系化されるべきです

発を進めています。また、国内外の様々なには、光子1個レベルの微弱信号に情報をが、その確立はまだ道半ばです。逆に言え研究機関・企業とも積極的に連携していま載せ、それを正確に計測し取り出す必要がば、技術と基礎理論が同時進行で発展してす。光や原子、超伝導人工原子、そして情あります。そのためには、量子力学特有のいる非常に面白い研究分野といえます。最報を操る極限的な技術は、量子情報通信以現象を壊さずに計測・制御できることが不

近我々は、情報理論と量子力学を適切に用外にも時間・周波数標準、センシングなど可欠です。しかし現実には、量子力学的性

いて、量子暗号通信の根幹である量子鍵配の諸分野への展開も期待されます。

質は非常に壊れやすく、実現にはまだいく

送の原理的な性能限界を明らかにする新しつかの技術革新が必要です。

い理論を確立しました（図3）。こうしたノードとは、通信ネットワークの中継点

基礎理論は、科学として重要なだけでなく、の事です。本テーマでは、ノードの意味を

量子鍵配送の新しいプロトコルの探索や具広くとらえて、中継点で微弱な光信号を量体的な装置の設計を行う際、どこまでの性＊ タイトル： Fundamental rate-loss tradeoff for opticalquantum key distribution
著
者： Masahiro Takeoka, Saikat Guha, and Mark
M.Wilde
文献番号： Nature Communications 5:5235 (2014)
DOI: 10.1038/ncomms6235

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量子で拓く情報通信の新しい地平

絶対安全な通信を目指して
量子鍵配送ネットワークの研究開発

N と す る 量 子 鍵 配 送 (quantum key

しなければならない個人情報は過去に取りICT で は 絶 対 安 全 な 通 信 を 可 能扱ったことがなく、長期に秘匿しなければdistribution: QKD)リンクと、それらをネッ

ならない情報をいかに伝送すべきかを真剣トワーク化する研究を進めています。QKDに考えなければいけません。国家機密やゲでの安全性は物理法則が担保しており、将ノム情報など30年後に解読されても大きな来どれほど計算機が発達しても解読できな問題となる情報を安全に伝送させるには、

い暗号通信を行うことが可能です。また、利便性が高く、計算機能力向上に左右されそれらをネットワーク化して運用することない安全な暗号方式を開発する必要がありによりサービスエリアの拡大のみならず、ます。

応用用途の拡大が期待されています。今回、その原理とネットワークアーキテクチャをご紹介します。

■量子鍵配送の概要
NICT で は 第2期 中 期 目 標 期 間（2006-藤原 幹生（ふじわら みきお）
未来 ICT 研究所
量子 ICT 先端開発センター
研究マネージャー
大学院修士課程修了後 1992 年郵政省通信総合研究所（現 NICT）に入所。衛星搭載
用遠赤外検出器、光子数識別器、極低温
エレクトロニクス、量子鍵配送の研究に従事。博士（理学）。

■背景る技術として QKD の研究を進めてきましリーク情報 * でも喧伝されていますが、イた。1984年 に Bennett 博 士、Brassard 教

ンターネットで使用されている暗号の一部

授によって提案された QKD プロトコルはは、既に破られている可能性があります。

BB84と呼ばれ、誕生から30年以上経ってまた、海外では、現在一般的に使用されていますが、QKD の実験が盛んになったのいる公開鍵暗号を瞬時に解読できる量子コは今世紀に入ってからです。QKD は、情ンピュータ開発に多額の資金が投入されて報媒体に光子を利用し、2つの非直交な基います。我々の社会生活でも既に高度に秘底（図1）を用いて光子1つに1ビットの情

匿すべき情報もインターネット上を行き来

報を乗せ、送受信者間で乱数を共有する技する時代ですが、情報漏洩への危機意識は術です。光子1個という “ 量子状態 ” は非常

いまだ希薄である感があります。ゲノムに壊れやすく、盗聴者がこの光子を測定・データなど個人の生涯を超えて安全を担保

再送すると有限の確率で量子状態が変化し(b)

図1 (a) 量子鍵配送（quantum
key distribution: QKD）の原理

(b) QKD 装置写真

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間で絶対安全に乱数（暗号鍵）を共有でき

元 NSA・CIA 職員のスノーデン氏による(a)

受信者に届いた光子信号から誤り訂正、秘匿性増強などの鍵蒸留処理を経て暗号鍵を生成2010）から絶対安全な通信を目指し、二者光子の測定行為（盗聴）は光子の状態に必ず痕跡を残すこと（物理法則）を利用し盗聴可能性のある部分を確実に発見・排除ます。その変化をとらえるため正規送受信
者の間で共有した乱数の一部を公開し答え合わせをします。答えに誤りが発見された
場合、何らかの盗聴行為があったと判断でき、盗聴行為がなかった乱数を送受信者は暗号用の鍵として使用できます。物理状態の変化は量子力学（詳しくは no-cloning 定

図2 QKD プラットフォームの概要

量子レイヤ 様々なベンダーの QKD リンクで構成
鍵管理レイヤ 鍵管理サーバ：ネットワーク全体の状態を常に監視しリルーティングなどの管理
鍵管理エージェント：暗号鍵のフォーマットを整え記録しユーザからのリクエストに応じて提供

理）が正しい限り絶対であるため、物理法

要があります。現実解として QKD リンク

を用いた QKD ネットワーク（Tokyo QKD

則が安全性を担保しているプロトコルといを数珠つなぎに配置し、中間地点で一旦Network）を運用しています（図2）。このえます。このようにして共有した暗号鍵で、古典情報として保存し、鍵情報をリレー

テストベッドを用いて QKD リンクの長期

1948年に情報理論の巨人であるシャノン

する手法が取られています。例えば A-B

安定性やインシデント発生時のリルーティ

博士が情報理論的（無限大の計算能力を

間の QKD リンクで生成した鍵を K1、B-C

ング等の試験を繰り返し、QKD プラット

もってしても解読できない）に安全な暗号

間 QKD 装置で生成した鍵を K2とします。

フォームの信頼性を高める研究を進めてい方式であると証明した、one time pad 暗号

A-C 間 で 鍵 を 共 有 す る に は B か ら 排 他 的ます。さらに、OSI モデルのレイヤ2～4の（送受信双方で共有した暗号鍵で排他的論

論理和（K1⊕ K2）を古典情報として C に

通信機器に暗号鍵を供給し、様々なアプリ

理和演算を行う：毎回異なる乱数を使用）送ります。C では K2を知っていますのでケーションへの展開を可能としています。

を適用することにより、将来計算機がどれK1⊕ K2⊕ K2= K1となり、A-C 間で鍵共有

特に携帯電話への鍵供給は秘匿通話だけでほど性能向上しても解読不可能な通信（絶できます。この場合、古典情報で保存してはなく個人認証デバイスとしての応用も可

対安全な通信）を実現することが可能にないる場所（ノード）では鍵情報が盗まれる

能としています。さらに、ドローンなどこります。現在、我が国で開発されている

危険性があり、厳重かつ安全に鍵情報を管れからの IoT 社会への展開が期待されていQKD リンクは、産学官の連携により世界理する必要があります。このようなノード

る機器への鍵供給も視野に研究を進めてい最高レベルの性能・安全性を誇っています。

を “ 信頼できるノード ” と呼び、QKD をネッます。

トワーク化する上で重要な役割を果たしま■ QKD ネットワーク技術
利便性向上を目指してす。QKD リンクのネットワーク化は利用
エリア・利用用途の拡大や機能の可用性を■今後の展望

担保するためには必須技術です。ネット

我々は絶対安全な通信の実現を目指し

QKD は非常に高い安全性を保証するこ

ワーク接続時において重要な技術は異なるて QKD 装置とそのネットワーク化についとが可能ですが、情報の伝送媒体が光子ベンダーの QKD リンクで生成される鍵のて研究開発を進めています。伝送だけでは1つ1つであるがゆえに伝送時にその多く

フォーマットの調整、鍵リレーの正確な実なく分散ストレージなどへ応用し、安全にが消失してしまいます。鍵生成は到達した

施、正確な鍵の提供などが挙げられます。

データを保存できる機能の研究も進めてい光子を利用すれば良いので光子の消失がNICT では QKD ネットワークのアーキテクます。細菌学者パスツールの言葉に “ 偶然あっても可能ですが、伝送可能距離が延びチャとして、レイヤ構造の定義と中央監視は準備のできていない人を助けない ” といるに従い鍵生成率が急激に劣化します。世

型ネットワークを提案しています。QKD

うものがあります。我々は将来、現在の暗界最高レベルの QKD リンクでもファイバリンク群で形成される量子レイヤ、鍵を古号への脅威が突如発見され、絶対に破られ伝送距離50km において鍵生成レートは数

典情報として保存管理する鍵管理レイヤとない暗号が緊急に必要とされたとき、即座

百 k ～1Mbps 程度です。伝送レートは波定義しています。鍵管理レイヤは様々なにソリューションを提供できるよう研究を

長多重技術を用いることにより改善が可能

ユーザやアプリケーションに安全・確実

進めています。

であることが検証されていますが、伝送距に手渡すインターフェースを有していま離の伸長を可能とする技術の開発には克服す。この2つのレイヤを合わせて QKD プ

すべき技術課題が多く、いわゆる量子中継

ラットフォームと命名し、JGN-X と情報通技術の実現には、まだまだ研究を重ねる必信システム室の協力を得て、敷設ファイバ＊ http://www.fortinet.co.jp/security_blog/130906NSAs-and-GCHQ-Decryption-Capabilities.html
https://agilecatcloud.com/2015/10/20/researchersclaim-to-have-solved-nsa-crypto-breaking-mystery/

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量子で拓く情報通信の新しい地平

従来の限界を打破する量子通信の実現を目指して
光子・原子の極限制御技術の開発

将 ドでは、基幹回線を行きかう光信号には外乱や損失を光子や原子レベルで制御に最適な量子制御を施せる、いわゆる「量なノードに配置し、基幹回線を行きかう光

子ノード技術」が必要になります。その実信号に最適な量子制御を施せる量子ノード

現には光子や原子のような量子物理系の極技術が必要になります。量子ノード技術を限制御技術が不可欠です。このような極限実現するためには、光子や原子のような量

技術は量子ノード技術以外にも様々な応用

子物理系を測定し、制御できる技術が欠かが期待されます。本稿では量子 ICT 先端開せません。

来の情報ネットワークの主要なノーできる極限環境を情報ネットワークの主要発センターで行っている量子ノード技術開発の一端として、光子とレーザ冷却イオン

早坂 和弘（はやさか かずひろ）
未来 ICT 研究所
量子 ICT 先端開発センター
研究マネージャー
大学院修士課程修了後、1990 年に郵政省
電波研究所（現 NICT）入所。イオントラッ
プを用いた量子光学の研究に従事。大阪大学大学院基礎工学研究科招へい准教授。
博士（理学）。

和久井 健太郎（わくい けんたろう）の量子状態極限計測について紹介します。

量子力学では無限に離れた2つの粒子■背景ような不可思議な相関を持つことが許されます。このような量子力学的な相関を持つ

するかという問題は、スマートフォンやイ

光子のペアは量子もつれ光子対と呼ばれま

ンターネットの普及とともに、我々にとっす。量子もつれ光子対はレーザ光では実現てもますます身近で切迫した課題となってできない安全な通信（量子暗号）や高速のいます。量子情報理論の最新の成果による計算（量子計算）、さらには、高精度の光と、基幹回線で究極の伝送容量を実現する

計測へと応用できます。しかし、量子もつ

ためには、受信側で信号パルス間に量子計

れ光源には特殊な結晶や駆動用レーザを開算を施しながら復号を行う必要がありま発する必要があり、量子もつれ光子対の生す。これは復号回路の中に「シュレディン

成・検出を高速化することは容易ではあり

ガーの猫」と称される巨視的な量子重ね合ません。そのため、現在も世界中で研究開わせ状態を自在に生成し、制御しながら測発が進んでいます。

定を行うことを意味します。量子重ね合わ

量子もつれ光源を用いた通信プロトコル

せ状態とは、いわば「猫が生きながらも死の中でも、量子暗号の長距離化や量子計算んでいる」という、日常とは異なる量子力

機のネットワーク化で基本となるのが、量学的な性質のひとつです。その制御のため

子もつれ交換と呼ばれるプロトコルです。

大学院修了後、株式会社富士通研究所を経て、2009 年 NICT 入 所。量 子 光 学、非線形光学の研究に従事。博士（工学）。

図1 量子もつれ交換の手順

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が、一見、瞬時に情報をやり取りするかの

いかに正確に多くの情報を効率よく伝送

未来 ICT 研究所
量子 ICT 先端開発センター
主任研究員

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■光子の量子もつれ交換図2 量子もつれ交換に使用した実験装置

図3 イオントラップ装置

量子もつれ交換の方式を図1に示します。

ことができます。図3はイオンを閉じ込める

まず、地点 A と B、地点 B と C では、それイオントラップという装置で、図4はその中でレーザ冷却されたカルシウムイオン（Ca+）

ぞれが別々の量子もつれ光子のペアを共有します。最初、A-B 間と B-C 間で共有されとインジウムイオン（In+）
を示したものです。

る光子のペアには何も相関がありません。

このようなイオンを用いて数個レベルでの

次に、地点 B において特殊な測定を行い、量子計算の実証が報告されています。

光子が来たかどうかを判別します。これは原子は内部構造によって決まる固有遷移

目隠しで光子をつかむような測定ですが、周波数の光しか吸収できないことが量子力

A と C のどちらから光子が来たか、あえて学で明らかにされています。レーザ周波数分からないようにすることで、A と C の間をこの周波数と一致するように制御するに新たな量子もつれが形成できます。実際と、世界のどの場所でいつ動作させても正の実験系は図2に示すようなもので、特殊

確に同一周波数の光を発生する光周波数標

な光学素子（特定の波長で高反射率を持つ準を作ることが可能です。イオントラップ

鏡など）や様々な色のレーザ、さらには、中でレーザ冷却されたイオンは、運動や衝

高効率の光子検出器を用います。

突による光周波数の変動がないために優れ

図4 超高感度カメラで観測したカルシウムイオン(Ca+) とインジウムイオン (In+) の配列。In+は直接観測することができません。

■今後の展望NICT では、光ファイバ通信に重要な波た光周波数標準として期待されており、幾長帯（波長1,550 nm 近辺）において、量つかのイオン種で研究開発が行われていま

量子もつれ交換の高速化が光ファイバ通子もつれ光子対の生成効率を高める技術をす。我々は従来型より2桁以上の精度向上が期待される In+ を光周波数標準に応用す

信に適した波長帯で実現したことにより、独自開発しました。また、この高効率の量
子もつれ光子を複数用いることで、量子もるための新しい極限計測技術の研究開発をが可能となり、量子暗号など他の量子通信

つれ交換を従来よりも大幅に高性能化する方式の高性能化が期待できます。今後は、ことに成功しました。量子もつれ交換は行ってきました。
In+ はレーザ冷却と量子状態測定に波長様々な研究機関で研究が進められてきまし159nm の光を必要としますが、このようヘルツ帯まで向上させることにより、量子

たが、我々は特殊な光学結晶の探索や、光な短波長の光は生成が困難であるため、新もつれを用いた量子計算や、高精度の光計

子検出器を高効率化するといった技術的な測など、量子ノード技術に向けた様々な技改善を積み重ねることにより、つい先ごろ、たな手法の開発が必要となります。そこでレーザ冷却可能な2個の Ca+ を用いて In+

先行研究と比較して1,000倍以上多い成功を間接的に冷却する共同冷却法を開発し、現在のイオントラップシステムは総重量回数の量子もつれ交換を実証することに成

量子力学の許す最低のエネルギー状態であが100kg 以上となるため、情報ネットワー

功しています。

る振動基底状態までの冷却を実現しました。図4は生成した Ca+ と In+ の配列を超クのノードに配置する用途には適しませ高感度カメラで撮影したものです。このよ
うにして静止させた In+ の量子状態測定法

ントラップでは計測器用汎用ラックに収納■イオンの量子状態計測

安価で高性能の光通信部品との組み合わせ

量子もつれ交換装置の動作スピードをギガ術の実現が期待されます。

ん。新たに研究開発を開始した集積型イオ
するサイズを目指しており、量子ノード技

えられる一方、原子は量子計算や量子状態

として、In+ の弱い遷移を用いた方法、In+の量子状態を Ca+ に移して測定する量子論のメモリに適しているとされています。原

理分光法を開発することができました。こ

応用することで通信容量の大幅な改善が期

子が電子を失ってイオンになると、電場に待されています。

よる運動の制御が可能になり、レーザ冷却

れらの技術のいくつかを時空標準研究室に移転し、In+ の光周波数標準動作を実証すという手法で空間中に孤立して静止させる

ることができました。

光子が量子状態の伝送に適していると考術実現に一歩近づくことが期待されます。
また、光通信用レーザの光周波数安定化に

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New

h o r iz o nofq u a n t u m -i n s p i r e d I C T

量子で拓く情報通信の新しい地平

超伝導回路で探る量子物理の世界

物質と光の相互作用を光子１個レベルで解き明かす

巨 質と光の相互作用を光子1個レベル

かできませんが、原子の世界では任意の割で精密に測定・制御する研究を進めていま

ぼ歩いていて、少しだけ電車に乗り、ひょっ

す。物質の代表としては、半導体微細加工とするとバスに乗っている」という状態も技術を使って作られた、原子とよく似た性可能です（「重ね合わせ」）。また、1本し質をもつ超伝導回路（人工原子）や、半導かない傘を私が使い弟はレインコートを使

体結晶中の電子スピンの集団などの巨視的うことと、その反対に、私がレインコート

量子系を使います。その理由は、原子をで弟が傘をさすことの2つの組み合わせも使った場合と比べて、相互作用が何桁も強同時に進行可能なのです（「量子もつれ」）。

い状況を作れるので、光子1個レベルで物

ただし、誰かに見つけられる（観測される）質と光の相互作用を観測・制御しやすくなと、そのうちのどれかひとつの状態になっるからです。このような巨視的量子系で初てしまいます。「重ね合わせ」や「量子もめて現われる物理現象の解明を通じて、未つれ」のような量子状態のとても不思議な

来の情報通信に役立つ量子技術の開拓を目

性質は、まとめて「量子リソース」とも呼

指します。

ばれます。

視的量子物理プロジェクトでは、物仙場 浩一（せんば こういち）
未来 ICT 研究所
フロンティア創造総合研究室
上席研究員
NTT 物性科学基礎研究所及び国立情報学研究所量子情報国際研究センターにて量子情報、超伝導量子エレクトロニクスの研究に従事。2013 年に NICT 入所。巨視的量子物理プロジェクト 主幹。博士（工学）。

合で全て同時進行可能です。つまり、「ほヤングの2重スリットという実験があり■「シュレディンガーの猫」と超伝導人工原子ます（図1）。この実験では、光源から2重スリットを介してスクリーン上で観測される光の干渉縞は、光の最小単位である光子

今からおよそ100年前、20世紀の初め

1粒に、どちらのスリットを通過してきた

頃、原子など微視的な世界の物理法則は、かという自分自身の “ 別の歴史 ” と干渉す

誰もが直感的に体得している物理法則と比る不思議な性質が備わっているために、こべて、とても奇妙であることが徐々に明らの場所では干渉で弱め合い、ほとんど観測

かになっていました。日常生活では、朝、されず、少し離れたところでは、強め合っ

通学・通勤するのに、電車で行くか、バスて観測されやすいというように、おびただに乗るか、歩いていくか、どれかひとつししい数の単一の光子があちこちで観測されたことの集大成として縞模様が現れます。
ところで、私達を含めて身の周りのあらゆるものは、原子から構成されているのに、状態の「重ね合わせ」や「量子もつれ」が観測されないのは、なぜだろう？
あるいは、どの大きさまで状態の重ね合わせができるのだろうか？ という問いかけ
は、誰もが抱く疑問です。いまだに完全には解かれていないこの疑問を、「猫の思考実験」を使って、最初に指摘したのがシュレディンガーでした。1935年のことです。シュレディンガーが提示した思考実験は次のようなものでした。「平均して1時間に1回の頻度で生じる原子核の放射図1 極微弱光極限でのヤングの2重スリット実験（出典：浜松ホトニクス「Photon てらす」）

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性崩壊に連動して、猛毒の入った瓶が割れ

回路 -QED 実験装置と巨視的量子物理プロジェクトメンバー
左から吉原文樹主任研究員、仙場、布施智子主任研究員
図2 原子と空洞共振器を使う cavity-QED とチップ上の超伝導回路を使う回路 -QEDの比較

巨視的量子物理プロジェクト の研究紹介ページ
https://www.nict.go.jp/frontier/mqp/index.html

る装置があるとする。この装置に猫を入れで作り出すことができ、制御・測定するこトなど測定可能な変化量となって現れまて1時間そっとしておき、1時間後に観測とが可能です。

す。このように、シリコン基板上に作製しするとどうなるか？ 生きた猫と死んだ猫の重ね合わせ状態を観測することになるのだろうか？ 」というものです。このように、ミクロな世界の物理法則がマクロ（巨た超伝導量子回路を用いた回路 -QED の実■物質と光の相互作用の増強手段― 回路 -QED

験は、量子状態の制御に関する限り、従来の原子・分子を使った手法で可能であったことを基本的に再現できます。また、はる視的）なものにまで影響が及ぶと仮定する

物質と光の基本的な相互作用を光子1個かに制御性が良いことから、量子シミュレーと、典型的な不可逆現象である生命現象とのレベルで取り扱う共振器量子電磁力学、

ターや 量子コンピュータに代表されるよ

矛盾し、大変困った状況となることを鋭くいわゆる cavity-QED は、従来 Q 値の大き

うな量子的リソースが秩序正しく制御され指摘した思考実験です。これは、巨視的量なシングルモード空洞共振器中の光子及びて動く機械の研究開発が世界中で進んでい子現象の分野に関する当時の認識の限界とその光子とエネルギー的に共鳴条件にあるます。それが完成した時、「シュレディン

100年後の将来への課題をも示した偉大な一対の準位を有する原子という組み合わせ

ガーの猫」も現われるでしょう。

思考実験だったのです。

を用いて行われてきました。2001年頃にさらに、従来の原子・分子を使った手法

それから80年以上経過した今日では、

は、この原子を超伝導人工原子に、空洞共よりはるかに強い結合が可能なため、従来

まだ猫よりはずっと小さいものの、超伝振器を超伝導共振回路にそれぞれ置き換えは実現困難であった超強結合状態や、超放導人工原子と呼ばれる、顕微鏡で見えるて同様な実験が可能であると理論的には

射量子相転移などの新たな物理の領域を開大きさの電気回路を低温に冷却すること予想されていました（図2参照）。それが拓できる可能性があります。我々の研究でにより、巨視的量子現象の分野を実験的

2004年以降、次々と実験で実証されましは、アルミニウム製の超伝導人工原子とに探索・研究することが可能になりました。しかも、超伝導人工原子とマイクロ波

LC 共振回路の間に、非常に強い相互作用た。我々の研究では、超伝導体（アルミニ

光子の相互作用は、従来知られている原を実現しました（図3）。透過波スペクトウム）で形成された電気回路を巡回する

子とマイクロ波光子の相互作用に比べてルの精密測定から結合系の状態は、今まで数百ナノアンペア程度の超伝導電流が時計数千倍に増強できるため、マイクロ波光子

誰も実現できなかった未踏領域にあること

回りに流れている状態と反時計回りに流れ1個の有無が、人工原子のエネルギー準位を示すデータが得られ始めています。

ている2状態の任意の重ね合わせを実験室の変化やプローブマイクロ波の位相のシフ■今後の展望我々は、巨視的量子系（超伝導人工原子）
を光子や電子スピンと相互作用させ、未踏領域の物理を探索し、そこで発現する現象
を光子1個のレベルで解明し、精密制御する研究を通じて、未来の ICT に役立つ新原理・新現象の開拓を目指しています。量子情報通信以外にも 時間・周波数標準 の高精度化、高感度センシング、量子シミュレー
図3 超伝導人工原子を使った回路 -QED 実験用試料（写真白色部分はアルミニウム製の超伝導薄膜回路）
左：回路 -QED 実験に使う3mm 角の試料チップをサンプルホルダにマウントしたところ
中央：超伝導人工原子・LC 回路結合系 右：超伝導人工原子（寸法は 約4μm×8μm ）ター、量子コンピュータなどの諸分野への展開が期待されます。

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ビジネスシーンで、産業で、社会インフラとして、その利用が進むワイヤレスネットワークの展示会＆セミナー

ワイヤレス・テクノロジー・パーク2016開催報告
ワイヤレスネットワーク総合研究センター 企画室

NICT は、YRP 研究開発推進協会及び YRP アカデミア交流ネットワークと共同で、「ワイヤレス・テクノロジー・パーク（以下、WTP）2016」（2016年5月25～27日、東京ビッグサイト）を開催しました。
展示会では116機関の出展、セミナーは25コースで計124件の講演があり、来場者数は同時開催イベントと合わせて約47,000人、WTPは前回の約1割増となる約11,000人で、過去最多となりました。特に5G（第5世代移動体通信システム）のパビリオン・セミナーは注目を集めました。
NICT は、 当 セ ン タ ー を 中
心に最新成果17項目の出展と10件 の 講 演 を 行 い、 来 場
者から技術の実用化に向けて様々な質問やコメントを頂きました。
WTP2016にご協力いただいた企業・団体の皆様には、この場をお借りして厚く御礼申し上げます。次回（2017年5月24～26日予定）は更に魅
力的で充実した内容となるよう一層努めます。

UWB 技術を利用した高精度の屋内測位システムを紹介する
李統括研究員

最新の5G 研究成果が集結した5G Tokyo Bay Summit

Interop Tokyo 2016 出展報告
NICT は、6月8～10日に、幕張メッセで開催された、インターネットとデジタルメディアの専門イベントである「Interop Tokyo 2016」に出展いたしました。会場には、昨年度を上回る
140,945人が訪れました。
NICT では、IoT 時代に対応したネットワーク
技術とセキュリティ技術及び起業家万博の最終選抜者の事業紹介の展示をしました。また、“NICTER ファミリーによる次世代のサイバー攻撃対策 ” の講演は、大変盛況であったため追加講演を行い150名以上の方にご聴講いただきました。NICT のブースにお越しいただきまして
ありがとうございました。
NICT ブースの様子

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NICT NEWS AUG 2016

® パビリオンAwards
文部科学大臣文部科学大臣表彰は、科学技術に関する研究開発、理解増進等において顕著な成果を収めた者に授与されます。市村学術賞は、大学及び研究機関で行われた研究のうち、学術分野の進展に貢献し、実用化の可能性のある研究に功績のあった技術研究者またはグループに贈呈されます。

科学技術分野の文部科学大臣表彰

平成28年度 科学技術賞開発部門

Development Category,Prizes for Science and Technology

浦塚 清峰（うらつか せいほ）
電磁波研究所
統括

受賞の言葉
地震や火山噴火など広域で深刻な災害時に、天候や昼夜にかかわらず、いち早く被害の状況把握することを目的として、航空機搭載合成開口レーダー（Pi-SAR2）の開発を進めて参りました。
受賞は、この技術が災害時に役立つことが社会に広く認められたことによるものであり、一緒に開発に努力した多くの関係者と、この栄誉を共有したいと思います。
災害に強靭な社会の実現を祈念し、それにこの技術が広く活用されることを期待してやみません。

data●受賞日：2016年4月20日●受賞内容：災害被害を迅速に把握するための Pi-SAR2の研究開発により、安心、安全な国民生活の向上に寄与した

公益財団法人 新技術開発財団

第48回 市村学術賞功績賞

48th The Ichimura Prize in Sciencefor Excellent Achievement

大久保 美也子（おおくぼ みやこ）
サイバーセキュリティ研究所
セキュリティ基盤研究室 主任研究員

受賞の言葉
受 賞 内 容 は、 簡 単 か つ 安 全 に セ キ ュ リ テ ィ シ ス テ
ム を 開 発 で き る こ と を 目 指 し た「 群 構 造 維 持 暗 号 系（Structure-Preserving Cryptography: SP 暗号系）」による新たな設計コンセプトの提唱と、それを具体化する SP
デジタル署名等の暗号技術です。本研究の共著者の皆様に、深く感謝いたします。また、これまでご支援・ご指導下さりました皆様方に心よりお礼申し上げます。これを励みに、本分野へのより一層の貢献を目指します。

data●共同受賞者：阿部 正幸（日本電信電話株式会社）●受賞日：2016年4月25日

大久保美也子（中央）●受賞内容：相互接続を実現する群構造維持暗号系に関する先駆的研究

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NICT NEWS No.459  AUG  2016

〒184-8795 東京都小金井市貫井北町4-2-1
TEL: 042-327-5392    FAX: 042-327-7587

国立研究開発法人情報通信研究機構 広報部

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編集発行

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ISSN 1349-3531 (Print)
ISSN 2187-4042 (Online)〈再生紙を使用〉