盗聴不可能な量子暗号の通信距離を2倍にする新方式を提唱
─「量子中継」なしに「全光」で，800 km圏内の主要都市間量子暗号の実現近づく
NTTの研究チームは，物理法則により，究極的な安子誤り訂正符号」などの高難度技術を要する量子中継

全性を保障する量子暗号の通信距離を，「量子中継」をは，1000 km程度の主要都市を結ぶ目的には，技術要求用いずに光デバイスのみで，通信速度を落とすことなレベルが必要以上に高い可能性がありました．それに対く， 2 倍にする新方式「全光都市間量子暗号（1）」を提唱

し，本方式は，それらの高難度技術を用いず，光デバイしました．本方式により，これまで400 km程度だったスだけで構成される中間ノード 1 つで動作するにもかか

既 存 方 式 の 通 信 圏 が800 km程 度 ま で 拡 大 で き る た め

わらず，800 km以下の通信距離に対しては量子中継の（図），（現状では技術的ハードルの高い）量子中継の実効率をも凌駕します．本方式発見のポイントは，既存の現を待たずして，主要都市間量子暗号が実現される可能量子もつれ配送方式の「時間反転」に潜在した「光損失性が出てきました．

への適応性」を引き出した点にあります．

量子暗号はその高い安全性から，国民投票や首脳会談，なお，本研究の一部は，NICT受託研究「セキュアフォ金融取引，遺伝 ・ 生体情報のやり取りなどに必要とされトニックネットワーク技術の研究開発」と「量子もつれる秘匿通信をネットワーク上で行うことを可能にしま中継技術の研究開発」の助成を受けて行われました．

す．既存方式に基づく市内間量子暗号はすでに実用化段階にありますが，ファイバの光損失に抗して量子暗号の通信圏を拡大するには，これまで量子中継が必須とされ■研究の成果近年のさまざまなセキュリティインシデントの増加にてきました．依然として大陸間通信に量子中継がなくてより，以前にも増して情報社会におけるセキュリティへはならないのは確かですが，「物質量子メモリ」や「量の関心が高まってきています．通信も例外ではなく，例えばアメリカ国家安全保障局（NSA）は，量子コンピュータへの脆弱性が示されている（RSAなどの）現在の暗号方式から，量子コンピュータに耐性を有する暗号方式への移行予備計画を発表しています．量子コンピュータに耐性を持つほど強固なセキュリティを持つと期待される暗号の候補は（数理暗号を含めて）いくつか存在します
が，量子コンピュータへの耐性が厳密に理論保障されているのは，現状では，安全性を物理法則に委ねる「量子Tokyo
400 km
800 km暗号」ただ 1 つです．
量子暗号は，量子力学特有の振舞いをする「光子」のファイバ伝送に基づきます．事実，既存の量子暗号は，送受信者間での光子の直接伝送に基づき，100 km程度の通信距離であれば海外ではすでに製品化されており，日本でも「東京QKDネットワーク」に象徴されるように試験運用の段階にあります．したがって，既存方式によって，市内全光都市間量子暗号が実現されれば，これまで400 km程度だった既存方式の通信圏が800 km程度まで拡大され，例えば日本国内の主要都市間を究極的にセキュアな量子暗号で結ぶことが可能になります．

図

全光都市間量子暗号によって拡大可能な通信圏間（100 km程度）の拠点を量子暗号で結ぶことは現在でも実現可能といえます．しかしながら，ファイバ中の光損失（の通信距離に対する指数関数的増大）により，400 km程度が既存方式の通信距離の限界だとされており，この通信圏外にある量子暗号ネットワークどうしを結ぶためには，既存の（直接伝送）方式と異なる「量子中継」が必

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要とされてきました．量子中継は，任意の通信距離に対の秘密鍵（の候補）が与えられます．ここで，ベル測定して効率的に（通信距離に対して多項式程度のリソースは送受信者両者からの光子が（損失を受けずに）届いたで）量子暗号を行うことを可能にするため，世界各地の場合のみ成功し得ます．したがって， 1 ビットの秘密鍵研究グループで，量子中継の原理検証実験が盛んに行わが得られる確率は，送受信者を結ぶファイバの透過率程れています．しかしながら，量子中継は互いにファイバで度となり，その秘密鍵生成率は他の既存の量子暗号方式結ばれた多数の中継ノードを利用し，各々の中継ノードとさほど違いはありません．ただ，時間反転型方式では，は，現状では高難度技術である物質量子メモリや量子誤「ベル測定」によって量子もつれを供給する光子の対をり訂正符号を必要としています．これらの要請は，量子ファイバ伝送後に選ぶことができ，これが時間反転型方中継から通信距離限界をなくし，大陸間を結ぶというよう式のみが有している改善の余地です．今回の全光都市間な高い目標をかなえるためには必須と考えられますが，中量子暗号方式は，まさに，この時間反転型方式特有の改長距離，例えば主要都市（1000 km程度）を結ぶ目的には，善余地を利用しています．

量子中継は技術要求が高すぎる可能性がありました．

具体的には，全光都市間量子暗号では，送受信者は，NTTの研究チームは，量子中継で必要とされる物質多重化を利用し，光子を同時に中間ノードに伝送しま

量子メモリや量子誤り訂正符号を一切用いず，光デバイす．中間ノードは最初に，ファイバ伝送で損失されなかっスのみに基づく中間ノードたった 1 つで，通信速度を落た光子を探します．この中から，送信者側から届いた光とすことなく，量子暗号の通信距離を 2 倍にする新方式

子と，受信者側から届いた光子を対とし，中間ノードは「全光都市間量子暗号」を提唱しました．本方式は，800ベル測定によって，それらの対に量子もつれを供給するkm以下の通信距離であれば，（原子集団に基づく）量子ことを試みます．もしこのベル測定が成功すれば，送受中 継よ り も 効 率 的 に機能し得ることが示されており，信者が秘密鍵の候補を得るという仕組みです．つまり，400 km程度が限界だった既存の量子暗号の通信圏を，全光都市間量子暗号では，中間ノードは伝送中の光子損800 km程度まで拡大することを可能にします．また，本失の有無によって，量子もつれを供給する光子の対を選方式は，全光量子中継（2）同様，物質量子メモリを用いないため，①通信距離によらず，光デバイスの動作速度と択しており，これが時間反転型方式との違いです．実際，同程度の通信速度を誇り，②原理検証段階にある物質との秘密鍵生成率は，送受信者間を結ぶファイバの透過率

この違いによって，全光都市間量子暗号の 1 パルス当り光のインタフェースを必要とせず，さらには③原理的にではなく，送信者と中間ノード（あるいは受信者と中間は常温で動作します．したがって，本方式は，800 km圏ノード）を結ぶファイバの透過率程度となります．つま内にある主要都市間を結ぶ，費用対効果の優れた量子暗り，全光都市間量子暗号は，既存方式の秘密鍵生成率そ号バックボーンリンクとして機能する可能性があります．のままに，その通信距離を 2 倍にすることができます．

■技術のポイント

実際，最先端技術を仮定した理論計算によれば，全光本方式の発見のポイントは，数ある既存の量子暗号方

都市間量子暗号には，以下のような特徴があることが分式の中で，「時間反転型」量子暗号方式のみに潜在した「光かります．①100 km以上の通信距離で，従来の時間反子損失への適応性」を見出した点にあります．時間反転転 型 方 式 の 効 率 を 凌 駕． ②200 km以 上 の 通 信 距 離 で，型方式では，送受信者は 1 光子状態にあるパルスを，ファ光子の直接伝送に基づく任意の方式の効率に対する理論

イバを通じて中間ノードに同時に伝送します．中間ノー限界を凌駕．③800 kmの通信距離に対しては，従来のドは，届いた光子の対に量子もつれを供給すべくベル測

時間反転型方式と 7 桁の効率の開きを達成．④100 MHz定を行い，ベル測定が成功すれば，送受信者に 1 ビットのクロック周波数が達成できれば，800 kmの通信距離NTT技術ジャーナル 2016.379

までは，原子集団に基づく量子中継の効率を凌駕．
■参考文献（1） K. Azuma, K. Tamaki, and W. J. Munro; “All-photonic intercity
quantum key distribution,” Nature Communications, Vol.6, No.10171,
2015.
（2） Focus on the News：“定説を覆し，長距離量子通信に必要な「量子中継」の全光化手法を確立─全光ネットワークに「量子インターネット」としての新たな未来像，” NTT技術ジャーナル，Vol.27，No.6，pp.60-62，
2015．

◆問い合わせ先NTT先端技術総合研究所
広報担当
TEL 046-240-5157
E-mail a-info lab.ntt.co.jp
URL http://www.ntt.co.jp/news2015/1512/151216a.html

全光量子ネットワークの可能性を求めて
東浩司

NTT物性科学基礎研究所
量子光物性研究部

研究者
研究者
紹介
紹介

理論量子物理研究グループ

研究主任

量子暗号やサイエンスフィクションのような「量子テレポーテーション」など，従来の通信とは質的に異なる魅力的な応用を持つ「量子通信」は，物理法則によって許される通信の究極形であり，実用的価値のみならず，学術的価値が高いものです．特に量子暗号は，100 km程度の通信距離であれば光デバイスのみで，すでに実用化段階にある現状にあって，その長距離化は分野の最重要課題の1つです．これまで，その長距離化には量子中継が必然とされ，そこでは光デバイスだけでなく，物質量子メモリが必須とされてきました．これ は 約17年 に わ た り， 本 分 野 の 定 説 で し た が，2015年4月 に 英 国 科 学 誌NatureCommunicationsから出版された「全光量子中継」によって，この定説は覆されています（2）．
結果として，光デバイスのみで地球規模の量子通信ネットワークを構成する「全光量子ネットワーク」という，全く新しい量子通信の将来像が描かれています．
本成果は，同グループの玉木潔主任研究員とWilliam J. Munro特別研究員＊の協力のもとに，市内間の拠点を結ぶのに適した現在の量子暗号方式と，大陸間を結ぶのに適した量子中継との技術的間隙を埋めるべく考案されたものです．今回の全光都市間量子暗号により，光デバイスの開発次第では，近い将来に800 km圏内にある国内の重要拠点間，あるいは隣国の首都との間に，極めてセキュリティの高い暗号通信が提供される可能性が生じただけでなく，全光量子中継と合わせて，高速かつ費用対効果に優れた全光量子ネットワー
クの実現がシームレスになったといえます．
＊ 本誌48頁「挑戦する研究者たち」にMunro氏の取材記事を掲載しています．こちらも併せてご覧ください．

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