PRESS RELEASE

世界最長、単一光子源による50kmの量子暗号鍵伝送に成功

究極の量子暗号方式実用化にめど

国立大学法人東京大学 ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構（機構長：荒川泰彦＝生産技術研究所教授、以下 東大）（注1）と株式会社富士通研究所（社長：富田達夫 本社：川崎市中原区、以下 富士通研）（注2）、日本電気株式会社（社長：遠藤信博 本社：東京都港区 以下 NEC）（注3）はこのほど共同で、単一光子源（注4）を用いた方式で世界最長となる50kmの量子暗号鍵伝送（注5）実験に成功しました。本成果は、東大-富士通研-NECのトライアングル連携のもと、光通信波長帯で最高性能の単一光子源と、実用レベルの量子暗号システムプロトタイプを融合することにより、実現したものです。1.5μm（マイクロメートル）帯単一光子源による今回の実用レベルの実験成功により、伝送距離性能などで最も期待される1.5μm帯単一光子源による量子暗号方式の実用化にめどをつけ、新たな段階を迎えたといえます。

本成果の第一報は、9月10日発行のAPEX（Applied Physics Express）誌電子版に掲載されます。

なお、本研究開発は、科学技術振興調整費「先端融合領域イノベーション創出拠点の形成」プログラムにより行われ、また本研究の一部は情報通信研究機構委託研究「量子暗号技術の研究開発」プロジェクトの成果を活用しています。

開発の背景と課題

インターネットの普及に伴い、電子商取引や個人情報保護などの観点から、より安全性の高い通信に対する需要が高まっています。現在主流の公開鍵暗号方式は、解読に要する計算量のみが安全性を決めており、技術の進歩に伴い、将来的に解読されるリスクがあります。量子暗号は、量子暗号鍵を光の最小単位である光子1つ1つに載せて伝送するため、仮に第三者が伝送路上で盗聴を試みても、その痕跡が残るという量子力学的原理によって、受信側で盗聴を直ちに検知することができます。この物理法則に根ざした究極の耐盗聴性が従来暗号にはない最大の特徴で、現在世界中で研究開発が活発に進められています。

量子暗号には光子を一つ一つ規則正しく生成する単一光子源を用いるのが理想ですが、従来の量子暗号鍵伝送実験ではレーザ光を極限まで弱めた擬似的単一光子源が主に使われています。擬似的単一光子源による問題点は、1パルスに2個以上の光子が入ることにより盗聴の可能性が生じることです。1.5μm帯単一光子源を用いれば、量子暗号の長距離伝送性能が最も期待できるうえ、システムや安全性解析が大幅に簡略化される利点があるとされます。

こうした単一光子源による量子暗号鍵伝送の実用化に向けた、大きな課題は光源の改善です。単一光子源を用い、実際に量子鍵伝送を検証した実験はこれまで数例が報告されておりますが、いずれも波長が0.64－1.3μmの範囲に限られ、伝送距離は35kmにとどまっていました。長距離化のためには光ファイバー内の光損失が最小となる波長1.5μm帯で高性能の単一光子源を実現することが必須でした。このような単一光子源が、希望通りの性能を発揮するかどうかを実用システムで検証することは、単一光子源量子暗号の将来の実用化にとって大きなマイルストーンになります。

今回の研究開発成果

単一光子源による量子暗号鍵伝送実験の成功

今回、東大-富士通研-NEC3者が連携し、新たな1.5μm帯単一光子源と実用レベルの量子暗号システムを融合した新システムを開発し、量子暗号鍵伝送実験を共同で実施しました。さらに安全性理論に基づく解析により、1.5 μm帯単一光子伝送による50 kmの安全鍵伝送を実証し、量子ドット単一光子源が量子暗号システムの光源として実用的に使用可能なことを明らかにしました。この成功は下記の2つの技術開発が鍵になっています。

1. 長距離伝送に適した高性能単一光子源の開発

   今回開発したのは、量子ドット（注6）と呼ばれるナノメートルサイズの半導体微結晶から、波長1.5μmの単一光子のみを高効率に生成させる技術です。量子ドットを、光学的ホーン構造（注7）（図1(a)）の中に配置し、さらに量子ドットの離散化したエネルギー準位の1つに光照射の波長を精度良く合わせることで、電子と正孔1組のみを確実に生成する制御技術を確立しました（図1(b)）。これにより単一光子生成効率が5.8%、ノイズとなる複数光子の同時発生確率が減衰レーザ光の約20分の1といずれも光通信波長帯で最も高性能な単一光子源を実現しました。

2. 単一光子光源に最適化した量子暗号システムの開発

   NECがかつて敷設済みの実使用環境下の97 km 光ファイバーによる鍵伝送フィールドテストに用いた平面光回路をベースに、今回、単一光子源に最適化した低損失な干渉光学系を新規開発しました。合わせて量子ビットの符号化方式であるタイムビンコーディング光子伝送（注8）を採用することにより、偏波を含めた伝送路の乱れに左右されにくい実用に近い新量子暗号システム（図2）を実現しました。全システムは同期信号生成装置から生成される同期信号によりタイミングを合わせて駆動します。特に送信者と受信者の間は同期にレーザ光を用い、信号光と合わせて2芯のファイバーで伝送するという、量子暗号鍵伝送の実用的システムを実現しました。

今後の展開

今回、量子ドット光デバイス分野と量子情報技術の融合による世界で初めての実用レベルの研究成果と言えます。今後は、単一光子源などを含めたシステムのさらなる性能向上を図り、5-10年後のシステム実用化に目処をつけます。また、今回、光励起方式の単一光子源を用いましたが、電流注入型1.5μm帯単一光子源も開発しており、将来的にはよりコンパクトで簡便な量子暗号通信システムの発展にも寄与できます。

図2 今回開発した単一光子量子暗号システム

注釈

  注1 ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構：

http://www.nanoquine.iis.u-tokyo.ac.jp/index.html

  注2 株式会社富士通研究所：

http://jp.fujitsu.com/labs/

  注3 日本電気株式会社：

http://www.nec.co.jp/

  注4 単一光子源：

光子が1個のみ含まれるパルス列を発生する光源。現在、離散的エネルギー準位を持つ量子ドット、原子、イオンなどにより実現可能であるが、現在のところ、通信波長帯に対応できるのは材料選択や構造制御が可能な量子ドットのみ。1パルスに2個以上の光子を含まず、光子数0の確率も低いものが理想的。

  注5 量子暗号鍵伝送：

量子力学を利用して秘密鍵を送信者と受信者との間で安全に共有できる秘匿通信。量子力学的性質を利用して、盗聴された痕跡を検知できるため、物理的に安全性が保障された究極の鍵配付方式。

  注6 量子ドット：

電子を0次元に閉じ込めることができる数十ナノメートルの粒状構造。この微結晶に電子を閉じ込めると、電子の状態密度が完全に飛び飛びに離散状態をとる。これまでレーザや光増幅素子、単一光子発生素子などに応用されている。量子ドットの概念は1982年に荒川泰彦教授、榊裕之名誉教授が提案した。

  注7 光学ホーン構造：

パラボラ状の半導体微細構造。界面の全反射を利用して量子ドットからの単一光子を効率よく一方向に取り出す独自構造。

  注8 タイムビンコーディング光子伝送：

単一光子を用い量子状態を符号化する方式。光学干渉計を用い、単一光子の位相（時間タイミング）差を利用する。伝送路の乱れに耐性があり、実用向きの単一光子量子暗号伝送方式。

本件に関するお問い合わせ

東京大学
ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構
機構長： 荒川 泰彦
電話： 03-5452-6920（機構事務局）
E-mail： arakawa@iis.u-tokyo.ac.jp

---

プレスリリースに記載された製品の価格、仕様、サービス内容、お問い合わせ先などは、発表日現在のものです。その後予告なしに変更されることがあります。あらかじめご了承ください。