世界初、通信波長帯において単一光子発生に成功：
量子暗号通信の実用化に向けて大きく前進

東京大学先端科学技術研究センター・生産技術研究所ナノエレクトロニクス連携研究センター（注1）荒川泰彦教授グループと株式会社富士通研究所（注2）は、単一光子（注3）の発生・計測システムを開発し、世界で初めて、通信波長帯における単一光子の発生に成功しました。今回開発した技術により、究極の暗号通信手段と言われながら、従来、毎秒数100ビット（以下、bps）でしかデータ転送できなかった量子暗号通信（注4）の速度を一挙に400倍以上高速化できる可能性が拓け、その成果は、量子暗号通信の実用化に向けた大きな前進と言えます。

本研究開発の一部は、文部科学省ITプログラムとして実施されています。

本技術の成果の第一報は、7月15日発行のJJAP(Japanese Journal of Applied Physics) Express Letterに掲載されます。さらに、本技術の内容の詳細は、7月26日から米国アリゾナ州で開催される半導体物理国際会議（International Conference on the Physics of Semiconductors；ICPS-27)で発表します。

なお、本技術の研究開発の一部は、文部科学省の研究開発委託事業である「ITプログラム～世界最先端IT国家実現重点研究開発プロジェクト～」の中の1 課題である「光・電子デバイス技術の開発プロジェクト」によるものです。また、独立行政法人物質・材料研究機構ナノマテリアル研究所（注5）の協力も得ています。

【開発の背景】

インターネット上での電子商取引の普及に伴い、より安全性の高い通信に対する需要が高まっています。その中でも量子暗号通信は、盗聴の可能性をゼロにできる極めて安全性の高い究極の暗号通信として、世界で研究開発が活発に進められています。

【課題】

量子暗号通信の実現には、1パルスに含まれる光子を1個に制限できる単一光子発生器が必要となります。しかし、実用的な光ファイバー通信に用いられる波長帯（1.3-1.55マイクロメートル）では単一光子発生技術が存在せず、従来の量子暗号通信の実験では、単一光子の代わりに通常のレーザー光源を用いざるを得ませんでした。

しかし、量子暗号通信にレーザー光源を用いる方法では、1パルスに2個以上の光子が入る可能性があり、盗聴の可能性をゼロにはできません。2個以上の光子が発生する確率を低くするためには光の強度を極めて弱くする必要があり、このために、レーザー光源を利用した量子暗号では、長距離での通信速度が数100bpsと、著しく遅い速度でしか実現できないという大きな問題がありました。

【開発した技術】

今回開発したのは、1.3から1.55マイクロメートルの実用的な通信波長帯で、単一光子を発生・計測する技術です。開発した技術の特長は、以下の通りです。

通信波長帯での単一光子発生技術(図1)

光学シミュレーションを用い、量子ドットと呼ばれるナノメートルサイズの構造から効率よく光子を発生できる半導体素子を設計しました。また、極めて小さな構造である量子ドットにダメージを与えない半導体プロセス技術を新たに開発しました。これにより、従来実現されていなかった通信波長帯での単一光子の発生が可能になりました。なお、使用した量子ドットは、独立行政法人物質・材料研究機構ナノマテリアル研究所の佐久間主幹研究員のグループと富士通研究所が共同で作製したものを用いています。
通信波長帯での単一光子計測技術(図2)

開発した半導体素子から出る光を効率よく集光し、量子ドットから放出された光だけを通信用光ファイバーに送る単一光子送信システムを設計・開発しました。また、光ファイバーを通過した光を2手に分け、2手に分けた光の受信のタイミングを正確に測定できる単一光子受信システムを設計・開発しました。2手に分けた光が同時計測されないことを確認することで、発生した光が単一光子であることを証明することが可能です。

【実験結果と効果】

今回開発したシステムを用いて実験を行ったところ、2手に分けた光が同時計測されることは、ノイズによる誤差の範囲でゼロであることが確認でき、通信波長帯で量子ドットから単一光子が発生していることを検証できました（図3）。

なお、今回、単一光子を検証した光の波長は1.3マイクロメートルですが、すでに、より一般的な通信波長である1.55マイクロメートルでの量子ドットからの発光も観測できています。

通信波長帯で単一光子の送信が確認できたことにより、送信側の発光強度を弱めなくても量子暗号通信が可能となります。この特長により、100キロメートル程度の伝送距離において、従来のレーザー光源を利用した量子暗号通信に比べ約400倍となる100kbpsの通信が可能となり、高度な情報セキュリティが必要とされる官公庁、金融、医療等の現場において、量子暗号通信技術が実用化される可能性が飛躍的に高まりました。

【今後】

今後、波長1.55マイクロメートルでの単一光子の伝送検証、単一光子の取り出し効率の向上などを図り、2007年頃の単一光子発生器実用化を目指した研究開発を推進していきます。また、量子ネットワーク実現に向け、量子中継技術や量子計算技術開発も進めていきます。

図1 単一光子を発生させた半導体素子

図2 単一光子計測システムの概要

図3 単一光子計測の実験結果

以上

注釈

（注1）ナノエレクトロニクス連携研究センター：: センター長荒川泰彦、所在地東京都目黒区。
（注2）株式会社富士通研究所：: 社長村野和雄、本社川崎市中原区。
（注3）単一光子：: 光は粒子性を持っており、単一光子は光の粒子1個を意味する。これ以上分割して光子の持つ情報をコピーすることができない。
（注4）量子暗号通信：: 量子力学を利用して、解読に必要な秘密鍵を通信者間で安全に共有できる通信技術。実用化に最も近い方式がBB84と呼ばれる方式で、単一光子に鍵情報をのせて伝送する。
（注5）独立行政法人物質・材料研究機構ナノマテリアル研究所：: 所長青野正和、所在地茨城県つくば市。

世界初、通信波長帯において単一光子発生に成功：量子暗号通信の実用化に向けて大きく前進