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無条件に安全な量子暗号鍵配信で世界最速を達成

従来比約100倍の高速化で量子暗号ネットワーク時代を拓く
2008年10月09日

 当社のグループ会社である東芝欧州研究所は、無条件に安全な量子暗号鍵配信に関して、これまで同研究所が実現した鍵配信速度を約100倍高速化し、鍵配信距離20km、100kmの場合においてそれぞれ1.02Mbps、10.1kbpsの世界最高速度を達成しました。

 従来は、鍵配信速度を向上させるために、液体ヘリウム温度への冷却が必要な超伝導単一光子検知器などを用いていたのに対し、今回は新たに通常の光通信で使用されるアバランシェ・フォト・ダイオード(APD)を単一光子検知器として利用し、鍵配信の大幅な高速化に成功しました。今回の成果は、これからの量子暗号ネットワークにおいて複数のユーザ間で実用的な鍵配信速度を実現するための重要な技術になります。また、今後の実用化に向けてはこの技術をベースにして可搬型高速量子暗号鍵配信システムの開発などに取り組んでいきます。

 量子暗号鍵配信は、量子力学の原理にもとづき通信の両端で無条件に安全な暗号鍵の配信を実現できる手段です。東芝欧州研究所では独自の安定制御機構を実装した「単一方向型」の量子暗号鍵配信システムとデコイ手法を組み合わせることにより、これまでに10kbps(鍵配信距離20kmの場合)と世界最高レベルの鍵配信速度を達成してきました。しかしながら、この鍵配信速度は1対1通信の暗号化には実効上十分と考えられますが、ネットワーク上でVPNなど複数のセキュア通信を行う場合には量子暗号鍵を複数のセキュア通信間で共有する必要があるため、ネットワークの規模・通信量によっては鍵配信速度が十分とは言えませんでした。また、鍵配信速度は配信距離が長くなると逓減する傾向があるため、80~100kmの通信距離では1対1通信の場合でも十分な速度を実現することが困難でした。

 一方、鍵配信速度を向上させるために、超伝導単一光子検知器などの高性能な光子検知器を用いる試みがなされていますが、こういった検知器はヘリウム冷却が必要になるなど実用的システムへの搭載が極めて難しいという問題を抱えています。

 今回、東芝欧州研究所では、通常の光通信で使用されるAPDを単一光子検知器として利用し、その駆動周波数を従来比で100倍以上高めることにより、鍵配信の大幅な高速化に成功しました。これまで、APDの単一光子検知応用は、機械冷却が可能な温度で動作するため実用的システムへの応用が可能という長所がある反面、アフターパルスという雑音があるために高駆動周波数化が難しいと考えられていました。東芝欧州研究所は、自己差分型方式の発案によってアフターパルスの発生しない低いゲート電圧でも単一光子検知が可能となるように検知信号のS/N比を大幅に改善することにより、APDの高駆動周波数を1GHz以上に高めることに成功しました。

 この1GHz駆動APDを量子暗号鍵配信システムに導入することで、鍵配信距離20kmの場合で1.02Mbpsと従来比約100倍の鍵配信速度を達成しました。また、配信距離100kmの場合でも10.1kbps の速度を実証しています。この結果は、無条件に安全な量子暗号鍵配信システムの速度として世界最速(本日時点)です。

 なお、本研究の一部はEUプロジェクトSECOQC*1の助成を受けています。同プロジェクトが10月8日に発表した実証試験*2は、商用敷設ファイバーを用いた量子暗号ネットワークとして世界初の試みであり、複数の量子暗号鍵配信システムを相互接続してネットワーク内でVoIPによる完全秘匿電話通信や、秘匿ビデオ配信のアプリケーションのデモンストレーションが行われています。これにより、量子暗号鍵配信のネットワークへの適用が将来可能となります。東芝欧州研究所もこの実証試験に参加し、鍵配信距離32km長での鍵配信を安定的に行うことで実証試験の成功に貢献しています。また、 ETSI(欧州電気通信標準化機構)が同プロジェクトを母体として量子暗号通信の標準化グループを設立することを決定し、東芝欧州研究所もこの標準化グループの設立メンバーとして参加します。

 今後は、量子暗号ネットワーク実用化に向けて、今回発表した技術をベースに可搬型高速量子暗号鍵配信システムを開発し、ETSIでの標準化作業へ貢献していく計画です。

 

*1
「EUプロジェクト」は、EU加盟国が資金を拠出して、EU内の科学技術発展、新産業育成などを目的とするプロジェクト。「SECOQC」は、その中で、量子暗号要素技術の開発とその実証を目的とするプロジェクト。
*2
複数の量子暗号鍵配信システムを結合した量子暗号ネットワークの実証試験。

 

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