量子鍵配送の鍵生成レートの限界と伝送距離

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2014年10月24日

量子鍵配送に関する新理論を確立 ~鍵生成速度についての原理的な限界を解明~

2014年10月24日

独立行政法人 情報通信研究機構(NICT)

量子鍵配送に関する新理論を確立
~鍵生成速度についての原理的な限界を解明~

【ポイント】
■量子鍵配送の1パルスあたりの鍵生成レートに原理的な限界があることを解明
■量子鍵配送プロトコルの改良により、1パルスあたりの鍵生成レートを現状の約10倍程度向上可能
■鍵生成レート向上により、行政・産業・医療機関ネットワーク等での量子鍵配送の実用化研究開発が加速

 独立行政法人情報通信研究機構(NICT、理事長: 坂内 正夫)は、レイセオンBBNテクノロジーズ社(米国)及びルイジアナ州立大学(米国)と共同で、現在実用化が進められている2地点間の量子暗号における新理論を確立し、量子鍵配送の1パルスあたりの鍵生成レートの原理的な限界を世界で初めて解明しました。量子暗号は、コンピュータによる解読が絶対不可能とされる究極的な暗号通信として、実用化が期待されている新しい技術です。今回の成果は、鍵生成レートが量子鍵配送プロトコルの改良により、現在の更に10倍程度まで向上できる可能性を示すとともに、その将来的な限界を明らかにしました。これらは、これからの研究開発の指針を与えるものであり、このことにより、今後の研究開発の加速が大きく期待されます。
 なお、本成果は、英国科学電子ジャーナル「Nature Communications」(英国時間 10月24日(金)午前10:00)に掲載されます。

【背景】
 量子暗号は、量子鍵配送とワンタイムパッド暗号化から成り、将来開発される可能性のある、いかなる高速な計算機を使っても解読できない究極的な暗号として実用化が期待されている技術です。量子暗号の技術開発課題として、量子鍵配送の鍵生成速度の向上が挙げられています。鍵生成速度は、デバイスの性能や波長多重数で決まる「1秒当たりの光子パルスの生成数」と、鍵生成方式(量子鍵配送プロトコル)によって決まる「1パルスあたりの鍵生成レート」の2つの性能により決まります。これまで、1パルスあたりの鍵生成レートをできるだけ大きくするために、様々な量子鍵配送プロトコルが提案されてきましたが、実用的な2地点間の量子鍵配送プロトコルは、いずれも光ファイバーの伝送損失に対して、鍵生成レートが指数的に減衰してしまう性質を持っていました。

【今回の成果】
 今回、量子鍵配送について、量子情報理論に基づく新しい理論を確立し、この鍵生成レートの伝送損失に対する指数的な減衰は、個々の量子鍵配送プロトコルによらない普遍的な原理であることを解明しました。また、その原理的限界は、現在実現している量子鍵配送プロトコルにおける1パルスあたりの鍵生成レートの10倍程度であることも明らかにしました。
 このことは、現在の鍵生成レートが、量子鍵配送プロトコルの更なる改善により、10倍程度まで向上できる可能性を示すとともに、どのようなプロトコルでも超えられない限界も同時に明らかにしたもので、今後、新しい量子鍵配送プロトコルの開発を進める上で重要な指針を与える成果です。

【今後の展望】
 今後は、本成果で明らかとなった鍵生成レートの理論限界に近づく、より優れた量子暗号プロトコルの開発に取り組みます。同時に、1秒当たりの光子パルスの生成数の向上に向けて、デバイス開発や波長多重化なども進めていきます。
 一方、鍵生成速度及び伝送距離の限界は、従来の2地点間の量子暗号を超える新しい技術革新により、抜本的に超えることができます。それには、送受信者の間に量子的な中継器を置く量子中継技術や、量子暗号の物理的安全性の条件を少し緩和することで、鍵生成レートを大きく向上させる新しい物理レイヤ暗号技術などの実現が不可欠です。これらの技術は、まだ理論的・実験的に発展途上であり、実現には長期間の研究開発を要しますが、こうした基礎的な研究にも積極的に取り組んでいきます。