量子鍵配送

量子鍵配送(Quantum Key Distribution, QKD)は、通信を行う二者間でのセキュア通信を保証するために、量子力学を用いてランダムな秘密鍵を共有し、それをもとに情報を暗号・復号する。量子鍵配送はしばしば量子暗号と混同されるが、量子鍵配送は量子暗号技術の一つの手法である。
量子配送を利用することによって得られる重要な性質は、通信を行う二者がその通信に用いられる鍵情報を取得しようとする盗聴者の存在を探知できるという点である。これは量子力学の基本的原理によるもので、量子系は観測することによってそれ自体が分散してしまう。鍵を傍受しようとする第三者は何らかの方法で鍵の情報を観測する必要があり、その観測行為が探知可能な片側性を引き起こすことを利用する。重ね合わせや量子もつれを用い、量子状態にある情報を転送することによって傍受を探知することが出来る通信システムを実装することが出来る。傍受性が一定のしきい値を下回ったとき、秘匿性が保証された暗号鍵を生成し、それ以外の場合は傍受が行われたとして鍵生成は行わずに通信を終了する。
QKDにおける秘匿性は量子力学の原理を根拠にしているのに対し、従来の暗号鍵配送プロトコルは逆関数の計算が非常に困難であることを安全の根拠としているため、傍受を探知することが出来ず、またそれ故に秘匿性を完全に保証することは出来ない。
量子鍵配送は鍵を生成・配送することにのみ使われ、実際のデータ転送には使われない。すなわちこの暗号鍵はどんな暗号化アルゴリズムにも用いることができ、暗号化されたデータは通常の伝送路によって送ることが出来る。
これに最も適した暗号化アルゴリズムとしてワンタイムパッドがあり、これは不規則な秘密鍵を用いた際に証明可能安全性を持つ暗号方式として知られている。

E91 protocol: Artur Ekert (1991)

E91は量子もつれ状態にある光子の組を用いる。これらはAliceかBob、またはその二者以外の誰か(盗聴者Eveを含む)がつくりだす。これら光子は分散されるため、AliceとBobは結果的に組となっている光子のどちらか一つを受け取ることになる。
このプロトコルは量子もつれの二つの特性に依存している。一つ目は、AliceとBobが光子の偏光を観測するときに、100%の確率で同じ答えが得られるように量子もつれ状態にある光子は相関関係にあるということである。これは直交状態にある偏光であれば、どんな組でも真となる。しかしながら、Aliceが(故にBobも)光子の偏光状態を予測することは不可能である。二つ目に、盗聴者Eveによるいかなる傍受もこの相関関係を破壊し、AliceとBobはこれを探知できるという点である。オリジナルのエカートプロトコルでは三つの状態を想定されており、ベルの不等式を満たすかどうかによって傍受を探知する。

情報一致と秘匿性増幅

これまでに挙げてきた量子鍵配送プロトコルはAliceとBobにほぼ同一の共通鍵を供給し、双方の鍵に見られる相違も想定されている。そうした相違は第三者による傍受だけでなく、送受信経路や探知機の不具合などによる場合もある。何が原因で共有鍵に誤差が出ているのかを特定するのは困難であるため、安全性を保証するためにはすべての誤差は傍受によるものだと仮定することになる。共有鍵に現れる誤差の割合は一定のしきい値を下回る必要があり(2007年4月時点で20%)、二つの段階を踏んで訂正が行われる。まず最初に間違っているビットを取り除き、Eveが得た情報量の分だけ共有鍵の長さを短くする。これらの段階はそれぞ情報一致と秘匿性増幅と呼ばれ、1992年に定義された。
情報一致はAliceとBobの持つ共有鍵が同一であることを確かめるために二つの鍵間のエラー訂正を行うことを指す。これは通常の伝送回線を用いて行われるため、鍵についての情報の送受信は盗聴者Eveの存在を踏まえ最小限にすることが肝要である。情報一致に用いられる一般的なプロトコルに、1994年に提唱されたカスケードプロトコルがある。このプロセスは両方の鍵を複数個のブロックに分けるため複数回に分けておこなわれ、それぞれのブロックのパリティを比較する。パリティに誤差が発見された場合には二分探索が実行され、誤差の訂正をおこなう。一度パリティ訂正が行われたブロックから再度誤差が検出された場合、そのブロックには別の誤差が含まれており、再度訂正が行われる。このプロセスは再帰的に繰り返され、カスケードプロトコルの名前の由来となっている。すべてのブロックのパリティに対し比較が終了した後、AliceとBobは鍵に含まれるビット列の順序を変更し再度比較検証を行う。こうして複数回の比較を終えると、AliceとBobは高確率で同一の鍵を共有していることとなるが、盗聴者Eveにとっても情報一致のプロセスで共有鍵についての新たな情報を得ることになる。
秘匿性増幅はEveの持つAliceとBobの共有鍵についての断片情報を縮小、あるいは効率的に削除するために行われる。Eveが得た断片情報には量子チャンネルを使った鍵の転送の際に傍受された(故に探知可能な誤差を引き起こした)ものと、通常の伝送チャンネルを用いて行われた情報一致の際に傍受されたもの(Eveはパリティと成りうるすべての情報を得たとする)がある。そこで秘匿性増幅はAliceとBobの鍵を元に新しく短い鍵を生成する。そうすること、Eveの持っている情報は新しい鍵のほんの一部でしかなくなる。このプロセスはユニバーサルハッシュ関数によって行われ、公知となっている幾つかの中から無作為に選択したハッシュ関数へ、鍵と同じになるような長さのビット列を入力し、決められた長さへと短縮されたビット列を出力する。新しい鍵がどれくらい短くなるかは盗聴者Eveが元の鍵についての情報をどれくらい得ているか(エラーによって探知される)によって定まり、新しい鍵についての情報の漏洩を限りなく低くすることが出来る。

実験

現在実証されているも鍵交換で最も高いビットレートは、ケンブリッジ大学と東芝の連携によって実現されていて、BB84プロトコルとデコイパルスを用いた20 kmの光ファイバーで1 Mbit/s、10 kbit/sで100 kmである。 2007の時点で光ファイバーを用いた量子鍵配送の最長距離はBB84プロトコルを用いた148.7kmで、ロスアラモス国立研究所とアメリカ国立標準技術研究所によって実証された。重要なのは、この距離は今日の光ファイバーネットワークで用いられるほとんどすべての長さを満たしているということである。実空間で行われた量子鍵配送の最長記録は144kmで、欧州が協調し量子もつれ状態にある光子(E91プロトコル)で2006年に、また2007年にデコイ状態を付加したBB84プロトコルを用いて in 2007.カナリア諸島で達成された。この実験によって、高い高度では大気の密度が低いため、衛星への通信が可能であることも示唆された。たとえばISSからESA宇宙デブリ望遠鏡までの距離は約400 kmだが、大気の密度でいえばこの実験環境よりも小さく、より小さな減衰で済むとされている。2017年8月には地上・宇宙間の量子鍵配送実験を中華人民共和国が成功させる。

商業利用

現在量子鍵配送システムのサービスを提供しているのは、id Quantique (ジュネーブ)、MagiQ Technologies (ニューヨーク)、SmartQuantum (フランス)、そしてQuintessence Labs (オーストラリア)の四社である。この他にも、東芝、 HP、 IBM、 三菱、 NEC、 NTTなどの企業が積極的な研究を行っている。 (外部リンク参照)
スイスの企業であるid Quantiqueによって提供されている量子暗号技術は2007年10月21日にスイスの地方行政区画で行われた国政選挙で国会議事堂への票結果を転送するために使用された。
また2004年には量子鍵配送を用いた世界初の銀行振込がオーストリアのウィーンで実施された。絶対的な安全性が要求されたウィーン市長から国内の銀行への小切手が転送された。

DARPA

量子鍵配送によって保護されたDARPA Quantum network は10ノードの量子鍵配送ネットワークで、アメリカマサチューセッツ州で2004年より運用されている。BBNテクノロジーズ、 ハーバード大学、 ボストン大学、QinetiQが開発している。

SECOQC

量子鍵配送により守られた世界で最初のコンピュータネットワークは2008年10月にウィーンで行われた科学会議で実施された。このプロジェクトはSECOQC(Secure Communication Based on Quantum Cryptography)と呼ばれ、EUが出資している。200 kmの標準的な光ファイバーケーブルでウィーンから西に69 km離れたザンクト・ペルテンの街を結ぶ六ヶ所を繋いでネットワークを形成した。

Tokyo QKD Network

東京QKDネットワーク(Tokyo QKD Network)は量子暗号・量子通信国際会議(UQCC2010)の初日に発足した。日本からはNEC、三菱電機、NTT、NICT、そしてToshiba Research Europe Ltd. (イギリス)、id Quantique(スイス)、「ALL Vienna」の七つの団体の国際的な後援の元に行われた。「ALL Vienna」はオーストリア技術研究所(AIT)、量子光学量子情報学研究所(IQOQI)、ウィーン大学からの研究者の代表である。