量子暗号を用いた
秘匿通信

基
礎
講
座

荒平

慎に用いるコンピュータの計算能力を１．はじめに

２．量子暗号の特徴

インターネットの普及は我々の生

一般の暗号通信では、暗号の送受活を便利で快適なものにする一方、信者が盗聴者の存在を確実に検出す

このように量子暗号の特徴は、暗重要な個人情報・機密情報の漏洩はることは困難です。そのため盗聴者号の送受信者が盗聴者に知られずに大きな社会的問題となっています。の存在を前提にして、解読を難しく安全な秘密鍵を共有できる点にあり暗号通信は秘匿通信を実現する方法することで暗号の安全性を確保してます。そのため量子暗号システムはとして古くから研究・実用化されています。それに対して量子暗号は、また、「量子鍵配送」（Quantum Keyいます。現在利用されている暗号方（で盗聴者の存在を確実に検出するDistribution、QKD）システムとも式は、解読に要する計算時間が膨大きる）ことにより暗号通信の安全性呼ばれています。になるために事実上解読が不可能を確保します。

問わず、安全な暗号通信を可能とします。

３．量子暗号の仕組み（無意味）になるという意味で安全性

量子暗号においては、暗号通信のが保証された方式です。このような（量子送受信者はまず、特殊な粒子量子暗号で用いる「量子力学的粒安全性は計算量的安全性と呼ばれ、力学的粒子）を用いて暗号通信に用子」とは、「重ね合わせ状態」と呼ば将来的なコンピュータの計算能力向いる暗号鍵（秘密鍵）を作成します。

れる特殊な物理状態にある粒子で上により解読される危険性を常に有その後、この秘密鍵を用いて通常のす。重ね合わせ状態とは、例えば光しています（図−１）。

暗号通信を行ないます。

子の偏光測定をしたときに、個々の量子暗号を利用すると、送受信者測定において横偏光（H）が観測されは暗号セッションごとに異なる秘密るか縦偏光（V）が観測されるかは確（ワンタイムパッド秘密鍵）を共有
鍵率的であり、測定前には定まっていすることができます。また盗聴者がない状態をいいます。サイコロを振この秘密鍵を盗もうとした場合、量ったときに出る目の状況に似ていま子暗号では盗聴の痕跡を検出するこす。とができます。そして、盗聴が検出このような粒子について一度測定されたセッションを破棄することで（観測）をしてしまうと、測定前の状それに対して、解読不可能な究極安全が確認された秘密鍵のみを共有態がどのような状態であったかは測の秘匿通信を実現する暗号方式としすることができます。このようなワ定後には知ることができません（「波て、量子暗号が最近特に注目を集めンタイムパッド秘密鍵を用いた暗号動関数の収縮」と呼ばれます）。例えています。本稿では量子暗号の基本通信は、解読不可能な暗号通信であば、測定結果がH偏光であった光子的な仕組みについて紹介いたしまることが証明されている唯一の暗号が、測定前に100％の確率でH偏光す。

通信方法であり（情報理論的安全であったのか、それともH偏光状態性）、これにより量子暗号では解読を確率50％で含む右・左回り円偏光

図−１30

現在の暗号方式

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セミナー

状態（R、L）であったのかは、測定「0」に対応させることで、送受信者後には知ることができません。

は盗聴者の知らないランダムなビッムとして期待されています。

５．量子暗号を実現するデバイス

これを利用すると、正しい測定方ト列（ワンタイムパッド秘密鍵）を共法（測定系）を利用した相手（受信者）有することができ、これを用いて安量子暗号を実現するためには、単にのみ正しい測定結果を送ることが全な暗号通信が可能となります。

一光子もしくは量子もつれ光を発生でき、異なる測定系を用意した相手

量子力学的粒子としては、通信距する単一光子源、量子もつれ光源、（盗聴者）には確率的に誤った結果を離を長くするために光（光子）を利用ならびに単一光子を検出するための生じさせることができます。これはするのが一般的です。

単一光子検出器の開発が必要不可欠

また、盗聴者が送った信号を受信した正規の受信者は、正しい測定系を４．量子暗号プロトコルになります。量子暗号通信においては、盗聴を防ぐために１パルスあた

量子暗号の基本的な仕組み（プロ（通常、0.1りの平均光子数は１以下トコル）は1984年にBennettとBras-個／パルス程度）としますので、使従って送受信者は、測定結果（のsardにより発明され（BB84方式と呼用する光源・検出器としては、十分一部）を互いに照合し誤り率を測定ばれます）、その後様々な変形プロに低い雑音特性を有したものが必要することで盗聴者の存在を知ることトコルが開発されてきました。現在となります。

ができます。

主に開発が進められている量子暗号用いても確率的に誤った結果を得ることを意味します。

このような盗聴検出を可能にするためには、理想的には一個の粒子を用いる必要があります。複数の粒子プロトコルは、①単一光子を用いる方式（BB84方式）

また通信距離を延ばすためには、光ファイバを通信チャンネルとして用いるのが望ましく、使用波長としては、一般の光通信と同様、1.51mが存在すると、一般の暗号通信の場②合と同様に、盗聴者は送受信者には（E91、BBM92方式）

単一光子源としてはレーザ光を極知られずにその一部を盗み出すことに大別されます（図−２）。

弱い強度に減衰させた擬似的な単一で盗聴が可能になるためです。

量子もつれ光を用いる方式

帯が最も好適です。

現在実用化研究が先行しているの光子源が多くの実証実験で使用され盗聴が検出された場合、それまではBB84方式であり、プロトタイプています。また最近では、より理想の結果を破棄して、また新たに測定機器の試作や商用アクセス通信網をに近い単一光子源として、量子ドッをやり直します。ここまでの過程で利用したフィールド試験など、商用ト光源などが研究されています。

は、送受信者はまだ伝えたい情報化開発が進展しています。

また量子もつれ光源としては、特（平文）を送っていないので、この段

一方量子もつれ光を用いた方式

殊な光デバイス中で生じる、自然パ階で情報が漏洩することはありませ（BBM92方式）はまだ研究レベルにラメトリック変換と呼ばれる非線形ん。

近いですが、BB84方式に比較して光学効果が利用されています。

誤り率が規定値より低く、量子暗より高い安全性を確保できること、単一光子検出器については、半導号プロトコルが成功した場合、H偏また将来的には量子中継技術を利用体素子を用いたもの、超伝導素子を光とV偏光（またはR偏光とL偏光）した長距離伝送が期待できることな用いたものなどが研究されていまの測定結果をそれぞれビット「1」、どから、次世代量子暗号通信システす。一般の光通信でも使用されてい図−２

量子鍵配送プロトコル （A）単一光子方式 （B）量子もつれ光方式

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量子もつれ光を用いた量子暗号通信システム

るInGaAsアバランシェフォトダイ

通信システムが提供するサービスのオード（APD）もまた、単一光子検一環でもあります。従って一般の光出器として多くの実証実験で利用さ通信の場合と同様に、これらを実現

秘匿通信の重要性は今後もますまれています。

する上でのコストや信頼性もまた、す高まっていくものと予想されま実用化へ向けた重要なファクタとなす。量子暗号技術は解読不可能な暗ります。

号通信を実現するほぼ唯一の暗号通これらの光源、検出器を用いて、現在のところ数十km〜200km程度の伝送実験の報告がなされています。
量子暗号は最先端の光デバイス開発を必要とする先端技術ですが、一方で、量子暗号はまたユーザの多種多様なニーズを満足するために情報

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６．おわりに量子暗号通信システムの構成例と信方式として、欧米や他のアジア諸して、量子もつれ光源を用いた量子国でも研究開発が活発化していま

暗号通信システムの構成例を図−３

す。今後も実用化へ向けた精力的なに示します。

研究開発が続けられるものと期待されます。
（あらひらしん：沖電気工業（株））