独立行政法人情報通信研究機構

量子暗号技術Research Activity of Quantum Security
早稲田篤志WASEDA Atsushi
要旨
量子暗号は理論的に無条件安全性が実現できるとして注目され、各国の研究機関にて研究が行われている。セキュリティ基盤グループではこの量子暗号を始めとした量子セキュリティ技術が広く一般に利用されることを目指してこれまで研究を行ってきた。本稿では、第 2 期中期計画におけるセキュリティ
基盤グループの量子セキュリティ研究の概略を述べるとともに、その中で量子 ICT グループを始めとした他のグループとの協力関係や、Updating Quantum Cryptography and Communications（UQCC）などの関係するイベントについても紹介する。

Since only the quantum security can realize the unconditional security, the importance ofthe quantum security technologies is increasing. Therefore, it is researched by laboratories ineach country. The quantum security technology is researched also by Security Fundamental
Group aiming at the achievement of the society where the quantum cryptography is widelyused in general. In this paper, we report the outline of researches of the quantum security in thisgroup of five years recently, the cooperation with other groups and the relating events such as
UQCC.
［キーワード］量子暗号，量子セキュリティ，Updating Quantum Cryptography and Communications（UQCC）
Quantum cryptography, Quantum security, Updating Quantum Cryptography and Communications(UQCC)

1

まえがき的である。
これらの対策のうち現代暗号技術の多くはコン

昨今の技術の発達により、非常に広範なネッピュータを使用しても解くことが困難であるといトワークが張られ、多くのコンピュータがネットうことを安全性の根拠にしている。しかしながら、ワークに接続している。それに伴い、このネット昨今のコンピュータ性能の爆発的な発展によりそワークを守るためのセキュリティ技術が重要な要の安全性が危ぶまれている。これに対してはハッ素となっている。ネットワークに対する攻撃とし

シュ関数 SHA-1（160［bit］）を SHA-2（256［bit］）へては DoS（Denial of Service）攻撃のような通信シの変更や公開鍵暗号 RSA の鍵長を 1024［bit］かステムそのものをダウンさせるような攻撃や、コら 2048［bit］へ延ばす作業などにより安全性の確

ンピュータウイルスなどを利用したコンピュータ保がなされている。しかしながらこの暗号技術のの乗っ取りや通信相手になりすましてデータを引入れ替えに伴うシステムの更新はサービスの継続き出し、ネットワーク上を流れる通信データの盗性（BCP）に大きな影響を与えるだけでなく、新聴などによりデータの暴露、改ざんなどを目的と旧システムの同時運用や旧データとの互換性維した攻撃などが顕著な例として挙げられ、これに持などに伴う安全性低下の懸念も大きい。さらに対する対策法として nicter［1］に代表されるネットは、量子コンピュータのような新たなタイプのコワークの監視機構やウイルス対策ソフト、現代暗ンピュータの出現もあり、これまでのようなコン号技術の導入により対策を施すということが一般

ピュータ技術の発達により安全性が左右されない

1211

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量子暗号技術
Research Activity of Quantum Security
暗号技術もまた求められている。この要請に対し

1.1ては現代暗号においても one time pad［2］などの方法が提案されている。しかしながら、これらの方法は非常に効率が悪く実用には至っていなかった。これに対して量子技術を導入することで解決を図ろうという動きがある。特に、量子鍵配送は
one time pad における最大の問題点であった安全な鍵の共有という点を解決できるため注目された。
結 果 と し て SECOQC（Secure Communication［3］ や 東 京
based on Quantum Cryptography）

QKD ネットワーク［4］といった量子ネットワークの 2 期中期計画中の基盤グループにおけ第る量子セキュリティ研究に関する流れ

セキュリティ基盤グループにおける量子セキュリティに関する研究が本格的にスタートしたのは中期計画 2 年目の 2007 年に著者が専攻研究員として採用されたことにはじまる。この年度は他のグループとの共同研究は本格的には開始しておらず、基本的に基盤グループ単独で研究を行った。
この年度の結果として、論文成果としては著者の大学院時代の結果をブラッシュアップすることで量子秘密分散法のバリエーションの 1 つとして量実証実験を行うまでになっている。以上のように子複数秘密分散法の提案［6］が情報処理学会論文

量子技術を用いることで通信やデータ保護の安全誌に採択され、国内研究会における発表としてグ性の向上が期待できるため、それを積極的に活用ループ間量子秘密分散法の提案［7］を暗号と情報しようとするのが量子セキュリティである。

セキュリティシンポジウム（SCIS）2008 にて行っ

セキュリティ基盤グループではこのような問題た。この 年 の 10 月には 東 京 で UQC（Updatingの解決を図るため、量子 ICT グループや宇宙通信Quantum Cryptography）2007 が初めて開催されネットワークグループと共同で研究を進めてきてている。

いる。量子 ICT グループとは量子暗号や他の量子翌 2008 年度には本 格的に量子 ICT グループ

セキュリティプロトコルの安全性評価を行い、宇との意見交換、および共同研究が開始され、量宙通信ネットワークグループとは量子測定機を用子通信路の通信路容量の評価を行い、その成果いたときの量子通信の通信路容量の評価などをを国内研究会である SCIS2009 にて発表している行ってきた。開始当初には量子 ICT グループは現［8］。また、前年度に提案したグループ間秘密分散代暗号の最新動向をフォローアップする体制はで法を査読つき国際会議 International Symposium

きておらず、逆にセキュリティ基盤グループは量on Information Theory and its Applications

子暗号の実験装置や安全性理論について十分な理（ISITA2008）にて発表を行った［9］。また前年度解が及んでいなかった。そのためお互いの知見をに 引き続き、 東 京 で UQC（Updating Quantum

うまくかみ合わせ、知識を融合しながら研究を進Cryptography）2008 が開催されている。
2009 年度にも前年度に国内研究会で発表しめ一定の成果を上げることができた。
本稿ではセキュリティ基盤グループにおけるたファイバ帯域の量子通信路の通信路容量につ量子セキュリティ研究の成果の概要について述

いての論文が Journal of the Optical Society ofべる。まず、1.1 として第 2 期中期計画におけAmerica に採 択された［10］。さらにこの結 果をる研究成果と行われたイベントを時系列に応じて宇宙空間に拡張するため、宇宙通信ネットワー簡単に述べる。次に 1.2 として当中期計画中にクグループともコンタクトを取り、その成果につ行われた大きなイベントの代表として Updating

いて国際会議 2010 International Conference on

Quantum Cryptography and Communications［5］Availability and Security にて発表を行った［11］。

を述べ、1.3 として東京 QKD ネットワークにつこの研究をさらに発 展させるため、Universityいて述べる。さらに、1.4 として日本の量子暗号研究の方針を決める量子 ICT 運営会議について概略を述べる。その後にセキュリティ基盤グループ室員が第 2 期中期計画中に行った各研究概要について簡単に述べ、最後にまとめとする。

of Padua の Dr. Antonio Assalini との意見交換を始めたのもこの年からである。さらに田中グループリーダーが量子秘匿変調方式に対して暗号利用モードを用いた考察を行い、国内研究会
SCIS2010 にて発表を行っている［12］。
中期計画最終年度となる 2010 年度には東京
QKD ネ ット ワ ー ク の 稼 働 や UQCC（Updating212

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Quantum Cryptography and Communications）

NICT 委託研究の研究概要の報告などが各研究機2010 の開催といった大きなイベントがあった。さ関より行われ、今後の活動計画についての議論ならに、研究開発推進ファンド・プリプロジェクトどが行われた。の「超高速移動体通信と高セキュリティグローバ

第 2 回 UQC は 2008 年 12 月 1・2 日の 2 日間前ル量子鍵配布技術の研究開発」と「高セキュリ年度と同じく秋葉原ダイビルのコンベンションティを実現するための量子認証・暗号技術基礎開ホールにて行われた。内容としては EU で行われ発」の 2 件のプロジェクトへの採択がされた。研た SECOQC（Secure Communication based on

究成果の発表としては、量子認証について複数グQuantum Cryptography）に関する報告や、標準ループを一度に認証する量子複数認証について化動向として ETSI（European Telecommunica-SCIS2011 にて発表している［13］。

tions Standards Institute、欧州電気通信標準化協会）での活動などについて講演が行われた。まU pdating Quantum Cryptography［5］た、内閣官房、総務省、経済産業省の各省より量UQC（Updating Quantum Cryptography） お

子暗号技術を含めた ICT に関する日本の国家戦略

1.2

よ び UQCC（Updating Quantum Cryptographyが紹介された。

and Communications）（図 1）は NICT と独立行政

第 3 回 UQCC は 2010 年 10 月 18 日 か ら 20 日

法人情報処理推進機構（IPA）、独立行政法人産業

ま で の 3 日 間 ANA InterContinental Hotel in

技術総合研究所（AIST）が中心となって企画したTokyo にて行われた。今回の会議ではその直前国際会議であり、これまで 3 回開催された。の 10 月 14 日に東京都内の光ファイバ網をつない

第 1 回は 2007 年 10 月 1 日から 3 日までの 3 日

だ最新の量子暗号ネットワークである東京 QKD

間秋葉原ダイビルのコンベンションホールにてネットワークが稼働したこともあり、東京 QKD行われ、NIST（National Institute of Standards

ネットワークの紹介や期待等をはじめ、国内外のand Technology）を始めとした海外からも多くの最新の研究成果や実用化に向けた動向などが紹介参加者があった。このうちの 3 日目は専門家のみされた。の closed session が行われた。内容としては各国の量子暗号の最新動向やキーテクノロジーの研究

1.3

東京 QKD ネットワーク［4］開発動向の報告などが行われた。会期中の討論

東京 QKD ネットワーク（図 2）は 2010 年 10 月

では NIST からの参加者らから無条件安全性とサ

14 日に運用が開始された量子暗号ネットワークのイドチャネル攻撃について積極的な意見が出されテストヘッドである。運営構築には NICT の量子た。翌 4 日と 5 日には第 2 回量子 ICT 運営会議がICT グループが中心的役割を果たし、そのほか、SCAT にて開催され、総務省公募研究（SCOPE）、日本電気株式会社（NEC）、三菱電機、日本電信電図 1 UQCC

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Research Activity of Quantum Security

図 2 東京 QKD ネットワーク話株式会社（NTT）が行っている。秘密鍵の生成した。また量子複数秘密分散法の満たすべき諸性

速度は 45km の光ファイバ回線で毎秒 10 万 bit と質について明らかにした。

実環境では世界最高速を実現している。今後は他定義のシステムとの相互接続実験や現代暗号との統合を {S1,  Sn} とする。各々の秘密 Si に対し、純粋運用技術の研究開発などに役立たせる予定である。

化に用いた補助系を Ri、アクセス構造を Γi とする。

参加者の集合を P、秘密の量子状態の集合

さらに、各 Γi について Ti = {R1,  ,Rn} \ {Ri}とする。
1.4

量子 ICT 運営会議

量子 ICT 運営会議は年 1 回のペースで行われ、SCOPE の採択を受けた各研究チームによる最新

このとき、任意の i について以下の 2 つの条件を満たすものを、量子複数秘密分散法と定義する。
Recoverability（1）
任意の A ∈ Γi に対し、I (Ri : Ti Ai) = I (Ri : Si)の研究成果の報告や量子暗号の取り巻く成果の展開方法、他分野との連携、次世代量子暗号、量子（2）Secrecy中継、量子デバイス、量子情報基礎理論等の重要

任意の B ∉ Γi に対し、I (Ri : Ti Bi) = 0

課題についての議論などの次期研究推進戦略など

ただし、I (A : B) は系 A と系 B の相互情報量での議論が行われた。

ある。

2

研究概要

この結果は単一の秘密を持つ量子秘密分散法の定義を拡張したものであり、（1）は、秘密 Si を分

ここではセキュリティ基盤グループ室員が第 2散させた量子操作に対し、その逆変換が存在する期中期計画中に行ってきた研究成果の概略についことを示している。
（2）については、系 Bi と補助て述べる。

系 Ti を分散させた量子操作に逆変換が存在しないことを示している。

2.1

提 案 方 式（ 図 3）は Monotone Span Program

量子複数秘密分散法［6］量子秘密分散法とは秘密の分散符号化を行う秘（MSP）を使用した量子秘密分散法を拡張する密分散法について取り扱う秘密を量子状態にしたことで 得る。集 合 P 上における MSP とは、（1）り、使用する通信路を量子通信路としたりしたも

Fq： 位数が q の有限体、（2）M： Fq 上の d × e ののである。本論文では秘密情報を量子状態とし、

行 列、（3）g： 参 加 者 P に M の行を割り振る関さらに取り扱う秘密状態の数を複数とした量子複数（{1,  d} → P）、（4）ターゲットベクトル t の数秘密分散法を初めて定義し、その構成法を提案（Fq, M, g, t）の 4 つ組によって構成され、ある集合

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A について g ( ⋅ ) ∈ A となる M の部分行列 MA により生成される部分空間に t が含まれるとき MSP をである。この方法は量子状態を用いて古典状態の受理するという。

参加者を 2 つのグループに分け、分散情報の作成秘密を分散する方法である（図 4）。この方法では

MSP を利用して得られた秘密状態を m 個、分には両グループが協力して行い、秘密情報の復散情報を t 個とし、そのうち任意の d 個以上のシェ元は各グループメンバのみで行う方式である。まアを集めることですべての秘密の状態を復元できた、この方式ではあらかじめ秘密情報を選ぶことる量子複数秘密分散法を、(m, t, d) 量子閾値複数ができず、秘密の復元がされるまでもとの秘密情秘密分散法という。この量子閾値秘密分散法につ報を知ることができない方式であり、ビット共有いて以下のような定理が得られた。と秘密分散を同時に行うといった面を持つ方式でMSP を用いて構成された (m, t, d) 量子閾ある。この方式は分散情報の一部が漏えいした際

値複数秘密分散法は、Secrecy を満たすとき、かなどに秘密情報の変更を行うことなく分散情報のつそのときに限り、以下の 2 条件を満たす。
（1）

更新を行うなどの応用が期待できる。

定理

d ≥ t + m + 1、（2）e ≥ t + m + 1
2.3
2.2

［9］
グループ間量子秘密分散法［7］前項と同じく量子秘密分散法のバリエーション ァイバ帯域の量子通信路の通信路容量
フ［10］［11］の評価［8］量子 ICT グループとの共同研究における成果と

図 3 量子複数秘密分散法

図 4 グループ間量子秘密分散法

5

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量子暗号技術特集 Activity of Quantum Security
Research

してファイバによる帯域 50Thz（1.2 – 1.6μm）におる Holevo information をそれぞれ用いた場合とける phase shift keying（PSK）および quadrature

Giovannetti らにより与えられた理論的な上限と比

amplitude modulation（QAM）の 2 変調方式と測較した（図 6）。結果として火星までの通信ではこ定法として homodyne、heterodyne の両ダイン検

れらのアンテナを用いた場合信号の生成に 1W を波、Square Root detection（SRD）および量子測用いると理論的には 10Gbit/sec が実現できること定によって得られる最大の情報量を与える Holevoを示した。また遠距離、または入力電力が小さい

information を用いた場合のそれぞれについて量ときは変調方式として BPSK を用い、これにホモ子通信路の通信路容量を計算し、Giovannetti らダイン検波を行ったときが、逆に近距離、またはにより与えられた理論的な上限と比較した（図 5）。

入力電力が大きいときはより多値で変調を行い、この結果、1mW 以下の入力電力において量子効ヘテロダイン検波を行ったときが、それぞれで最果を考慮しない現在の光通信よりも優位性を持つも通信路容量が大きくなることが確認できた。

ことが確認できた。特に、入力電力 1μW 以下においては変調方式として BPSK を用い、これにホ2.5 量子秘匿変調方式の安全性に関する考察［12］モダイン検波を行ったときが、また、入力電力 1Y-00 に代表される量子秘匿変調方式に対してμ以上 1mW 以下の場合はより多値で変調を行い、安全性考察を行った。本方式はストリーム暗号ヘテロダイン検波を行ったときが、それぞれで最の一種として扱われ、そのように安全性が評価さも通信路容量が大きくなることが確認できた。

れてきた。これらの評価結果から現代暗号のストリーム暗号と同等の安全性であると帰着されてい宇宙通信における量子通信路の通信路容量の評価［11］る。本論文では量子秘匿変調方式をストリーム暗前項の内容について宇宙通信に適用して計算の一種と捉え、理想的安全な擬似乱数生成器を利2.4号と捉えず、量子通信を仮定した暗号利用モードを行った。送信、受信アンテナとして直径をそ用したと仮定し、全数探索以外での攻撃が不能でれぞれ 305mm、10,000mm としており、比 較 項あるとの条件の元で、その構造的安全性の評価を目は前項と同じである。すなわち、変調方式とし行った。て phase shift keying（PSK）および quadratureamplitude modulation（QAM）の 2 変調方式を、

2.6

量子複数認証方式［13］測定 法として homodyne、heterodyne の両ダイ

量子暗号は無条件安全性を満たす方式として提ン 検 波、Square Root detection（SRD）お よ び

案されているが欠点としてその通信距離が非常に量子測定によって得られる最大の情報量を与え制限されるという点があげられる。その結果、長図 5 ファイバ帯域における量子通信路の通信路容量216

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6

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量子暗号技術
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距離の通信を行うためにいくつかのノードを経由において量子状態を用いて各ノードを一度に認証して鍵共有を行う。現在、この通信に使用するしようというのが量子複数認証方式である（図 7）。

ノードについては信頼できるものとしているが、この研究では既存方式では安全でなかった量子状

このような信頼は本来望ましいものではない。そ態や量子変換を改良し、既存方式に強い方式の提こで、このような複数のノードを経由する通信路案を行った。

図 6 宇宙通信における量子通信路の通信路容量

図 7 量子複数認証方式

7

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3

まとめに関する研究では、量子 ICT グループや宇宙通信ネットワークグループと共同で研究を進めてきて本論文ではセキュリティ基盤グループが第 2 期いる。第 3 期中期計画では連携プロジェクトなど中期計画中に行った量子暗号に関する研究成果のによって、他の多くの研究室とより親密な関係を概要やイベントの概要について述べた。これまで構築していき、さらなる相乗効果により研究の成述べたように、基盤グループの量子セキュリティ果が発展していくことが期待される。

参考文献
1 http://www.nict.go.jp/publication/NICT-News/0607/research/index.html
2 Douglas R. Stinson,“Cryptography: Theory and Practice, Third Edition,”Chapman and Hall/CRC, 2005.
3 http://www.secoqc.net/
4 http://www2.nict.go.jp/pub/whatsnew/press/h22/101014/101014.html
5 http://www.uqcc2010.org/about/index.html
6 早稲田篤志，双紙正和，宮地充子，“量子複数秘密分散に関する考察，” 情報処理学会論文誌，Vol. 48, No. 7,

pp. 2447–2464, 2007.
7 早稲田篤志，高木孝幸，双紙正和，宮地充子，“異なるグループ間における量子秘密分散法の検討，” 暗号と情報セキュリティシンポジウム 2008，2008.
8 早稲田篤志，武岡正裕，佐々木雅英，藤原幹生，田中秀磨，“光ファイバー帯域におけるコヒーレント光通信の通信路容量に関する一考察，” 暗号と情報セキュリティシンポジウム 2009，2009.
9 Atsushi Waseda, Takayuki Takagi, Masakazu Soshi, and Atsuko Miyaji.“Quantum Secret Sharing between

Multiparty and Multiparty against the Attack with Single Photons or EPR-pair, ”The 2008 International
Symposium on Information Theory and its Applications, Proceedings of ISITA 2008, 2008.
10 Atsushi Waseda, Masahiro Takeoka, Masahide Sasaki, Mikio Fujiwara, and Hidema Tanaka,“Quantumdetection of wavelength division multiplexing optical coherent signals,”Journal of the Optical Society ofAmerica B-OPTICAL PHYSICS, Vol. 27, No. 2, pp. 259–265, 2010.
11 Atsushi Waseda, Masahide Sasaki, Masahiro Takeoka, Mikio Fujiwara, Morio Toyoshima, and Hidema

Tanaka,“Quantum detection of wavelength division multiplexing optical coherent signals in lossy channels,”2010 International Conference on Availability and Security , Proceedings of ARES 2010, 2010.
12 田中秀磨，佐々木雅英，武岡正裕，藤原幹生，早稲田篤志，“量子秘匿変調方式の安全性に関する一考察，”暗号と情報セキュリティシンポジウム 2010, 2010.
13 早稲田篤志，“複数同時量子認証に関する一考察，” 暗号と情報セキュリティシンポジウム 2011, 2011.
（平成 23 年 6 月 15 日 採録）

わせだ あつし早稲田篤志

独立行政法人情報通信研究機構
ネットワークセキュリティ研究所

セキュリティ基盤研究室専攻研究員
博士（情報科学）
量子セキュリティ

a-waseda@nict.go.jp

独立行政法人情報通信研究機構発行の技術情報誌「情報通信研究機構季報」
Vol.57 Nos.3/4 2011年 9・12月号の記事を、著者及び情報通信研究機構の承諾を得て掲載しています。 内容を一部加筆修正しています。

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