2021年10月14日

安全・安心なグローバルネットワークに向けた
物理レイヤ暗号

情報通信研究機構 量子ICT協創センター
研究マネージャー 遠藤 寛之

情報通信研究機構 新技術説明会
オンライン開催1

はじめに：量子暗号について

情報通信研究機構 新技術説明会
オンライン開催2

暗号：秘密にしたい情報を安全に送る技術
正規受信者(Bさん：ボブ)

送信者(Aさん：アリス)鍵

鍵(文書を秘密にするためのパスワード)(文書を閲覧するためのパスワード)

通信路

平文

暗号文

暗号文

平文

(秘密に送りたい文書)

盗聴者(Eavesdropper: イブ)
安全・安心なグローバルネットワークに向けた物理レイヤ暗号

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どんな計算機に対しても安全な暗号：バーナムのワンタイムパッド暗号
アリス
鍵(平文と同じ長さの乱数列)

ボブ鍵一度使った鍵は捨てる(平文と同じ長さの乱数列)

排他的論理和一度使った鍵は捨てる

排他的論理和

通信路
平文

暗号文

暗号文

平文

イブ
イブはどんな高性能な計算機を持っていたとしても、あてずっぽうに鍵を当てはめる以外に有効な解読手段が無いこと(＝情報理論的に安全)が数学的に証明されている。
→ 非常に長い鍵を安全に共有するための手段が必要！
安全・安心なグローバルネットワークに向けた物理レイヤ暗号

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量子暗号：「量子」の力で鍵共有の問題を解決
ワンタイムパッド暗号による暗号化

⊕⊕

鍵蒸留処理

公開通信路

鍵蒸留処理

量子通信路
送信機

① 光子1個1個に乱数のビット情報を載せて伝送。

受信機② イブは光子に対して盗聴や改ざんなどの攻撃を行う。

③ イブはアリスが送った光子を完全にコピーできないため、→ ビット誤り率の増加という形で、イブの盗聴の痕跡が残る！

量子鍵配送(QKD)「量子」の力で物理学的に可能なあらゆる攻撃に対しても安全な鍵配送を実現
安全・安心なグローバルネットワークに向けた物理レイヤ暗号5

量子鍵配送のグローバル化に向けた課題
1. 伝送距離/鍵生成速度の制限
光子を光ファイバで伝送する場合、光ファイバ中の光子の損失(損失率=0.2dB/km)によって、伝送距離と鍵生成速度が制限される。
➢50kmのファイバでは1Mbps➢

100kmのファイバでは1kbps
A. R. Dixon, et al. Opt. Express, 23(6), 7583, (2015).

2. カプセルリレーの限界
長距離化、多地点ネットワーク化は、『信頼できる局舎』による鍵のカプセルリレーで実現➢ カプセルリレーのみでは大陸間の鍵生成は難しい。

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衛星による量子鍵配送

宇宙空間で光の減衰はほぼゼロ① 衛星－地上間で量子鍵配送② 衛星－地上間で再度量子鍵配送③ 最終的に、地上の2拠点間で安全な鍵を共有• 地上光ファイバ網では不可能な距離での鍵配送• 衛星間での光回線によりネットワークの拡張（広域/ｸﾞﾛｰﾊﾞﾙ化）も可能。
安全・安心なグローバルネットワークに向けた物理レイヤ暗号

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•
•

衛星によるQKDの限界

静止軌道衛星(高度36000km)のリンクバジェット範囲

鍵生成レート[bps]低軌道衛星(高度~1000km)のリンクバジェット範囲

𝜆B = 1kHz
𝛥 = 1ns (= 1GHz)

アリス－ボブ間の損失 𝜂B−1 [dB]
現行のQKDでは静止軌道衛星―地上局間の鍵共有は非常に難しい→ 安全・安心なネットワークのグローバル化にはこの限界を打破する新しい技術が必要！
安全・安心なグローバルネットワークに向けた物理レイヤ暗号

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本日のメインテーマ～物理レイヤ暗号について～

情報通信研究機構 新技術説明会
オンライン開催
9物理レイヤ暗号
攻撃者の盗聴モデルへの仮定に基づいて伝送速度/伝送距離を適切に設定可能であり、さらには情報理論的に安全な秘匿通信技術

送信者
(アリス)

量子暗号の盗聴者
盗聴者は世界中のあらゆるところから物理学的に許されるあらゆる攻撃を行える。
→ 鍵生成の性能に制限

高い指向性のビームによる見通し通信

物理レイヤ暗号の盗聴者
盗聴者はビームの外側という限られた領域から光子を抜き取るようなパッシブな攻撃しか行えない。
→ 鍵生成の性能の向上が可能！

受信者
(ボブ)

盗聴者
(イブ)

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••

物理レイヤ暗号とQKDの比較

𝜆B = 1kHz
𝛥 = 1ns (= 1GHz)

鍵生成レート[bps]物理レイヤ暗号アリス－ボブ間の損失 𝜂B−1 [dB]
低軌道衛星(高度~1000km)のリンクバジェット範囲
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静止軌道衛星(高度36000km)のリンクバジェット範囲

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Tokyo FSO Testbedによる物理レイヤ暗号の実証に向けた実験
H. Endo et al., Opt. Express, 24(8), 8940 (2016).
M. Fujiwara et al., Opt. Express, 26(15), 19513 (2018).
H. Endo et al., Opt. Express, 26(18), 23305 (2018).

アリス(全天候型レーザ送信ドーム)

NICT(小金井市)

強度が1/10となるビーム広がり(推定値)

電通大(調布市)v-イブ(漏えい情報量のモニター)

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ボブ(受信光学系)

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グループ鍵共有の実証実験

レーザビームの広がりにより複数ターミナルで同一の鍵を共有

グループ鍵生成レート[Mbps]

アリス

Tokyo FSO Testbedでの実験(2018/10/6)

時刻

ビーム圏内の複数のボブ
鍵共有後、離れた場所へと飛行し、再び鍵共有を実施

受信光強度[nW]

ボブ2(緑)

H. Endo et al., OSA. Continuum, 3(9), 2525 (2020).
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ボブ1(青)
v-Eve(赤)時刻1313

物理レイヤ暗号に関する特許技術

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Tokyo FSO Testbedによる実験から見えてきた問題点
光空間通信では大気ゆらぎの影響を受けて、受信強度が経時変化する。

受信光強度

ボブ側

計測時間 [ms]受信強度が高く、より多くの鍵を作れる時間

受信強度が低く、鍵が作れない時間

従来のファイバー系で用いられていた量子暗号で使われているような誤り訂正技術では、このような受信強度の経時変化を想定していないため、本来の性能を発揮できず、非効率的になる。

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新技術の特徴
大気ゆらぎの状態を活用して、どの時刻のデータから鍵を作るかを選別する。
平均受信強度① 平均受信強度があるしきい値以下となるビットを削除

受信光強度② 平均受信強度を中心としたある範囲のビットを削除

閾値計測時間𝑥=0𝑥=0𝑥=1

頻度

頻度

𝑥=1𝑥=1

頻度

𝑥=0

受信光強度

受信光強度

受信光強度

エラーフリーな領域
ほぼすべてのビットが削除されない

アウテージしている領域
すべてのビットが削除される

エラーがある領域
エラーである確率の高いビットが削除される

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鍵生成レート[Mbps]

鍵生成レート[Mbps]

鍵生成レート[Mbps]

従来技術との比較

青：従来技術による鍵生成
赤：特許技術適用による鍵生成

特許技術適用により：• 日中において10 kbpsから60 kbpsの改善が見られる。
• 鍵生成ができなかった時刻でも鍵生成が可能になる。
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想定される用途• 本技術によって、衛星通信を含めた、光空間通信による物理レイヤ暗号が被る大気ゆらぎの影響を緩和させ、この技術の鍵生成速度や鍵生成距離を大幅に高めることができる。
• 上記以外に、誤り訂正符号に要求される性能を下げることができ、ソフトウェアやハードウェアの簡略化に貢献する。

• また、適切な技術と組み合わせることで、1対1の光空間通信への応用に展開することも可能と思われる。

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実用化に向けた課題• 大気ゆらぎに関するデータをより簡便に取得するための装置や手法が必要となる。
• 現在、DIMM(Differential Image Motion Monitor)装置を用いて取得した大気ゆらぎデータを解析中。
• 物理レイヤ暗号一般にも当てはまるが、実用化に向けて、この大気ゆらぎデータと、見通しの状態、漏洩情報量などを結びつける手法を開発していく必要がある。

カメラ画像の輝点の相対位置変化から大気ゆらぎの度合いを測定
DIMM装置
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企業様への期待• DIMMに限らず、大気ゆらぎに関する測定技術を持つ企業様との共同研究を希望する。
• また、DIMMに限らず、物理レイヤ暗号技術の実用化に向けて、以下の技術を持つ企業様との共同研究を希望する。
• 誤り訂正技術• 光空間通信・可視光通信技術• ミリ波通信技術• モーター制御技術(装置の指向制御のため)• LIDAR技術(通信路の見通し確保のため)• AI技術(過去のデータを活用した予測を行うため)

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：秘密鍵共有方法及びシステム• 出願番号：特願2019-235286• 出願人：情報通信研究機構• 発明者：遠藤 寛之、佐々木 雅英

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関連技術１：物理レイヤ暗号によるグループ鍵共有
アリス

光またはミリ波による高指向性ビーム(ビーム状に形成できれば良い)

𝑅0

𝐾

盗聴者はビームの裾から盗聴せざるを得ない

鍵蒸留処理のための公開通信路

ボブ𝑅𝑖

𝐾

遠藤、佐々木, 特願2020-012325
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関連技術１：物理レイヤ暗号によるグループ鍵共有

遠藤、佐々木, 特願2020-012325
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関連技術２：見通し通信向けの適応的鍵共有技術※10月4日の出願後に特許情報を記載予定

安全性の課題や性能が異なる3つの鍵共有技術を用途に応じて使い分けることがで、一つの技術だけではカバーしきれない、広大な利用シーンをカバーできる技術を生み出すことができる。
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お問い合わせ先・謝辞

謝辞• 本発表には、総務省「ICT重点技術の研究開発プロジェクト（JP MI00316）」のうち「衛星通信における量子暗号の研究開発（JPJ007462）」の一環として実施されたものを含む。
• 本発表には、科研費(17H01281、19K14992)の助成を受けて行われたものを含む。

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