600kmを超える光ファイバーによる量子通信の実証

2021年6月8日

株式会社東芝

ヨーロッパ東芝のケンブリッジ研究所は本日、長さ600kmを超える光ファイバーを介した量子通信の初の実証を発表した。 この画期的な進歩により、大都市圏間の長距離で量子的に安全な情報転送が可能になり、将来の量子インターネットの構築に向けた大きな進歩となります。

量子インターネットという用語は、長距離の量子通信リンクによって接続された量子コンピューターのグローバル ネットワークを指します。 これにより、クラウドでの複雑な最適化問題の超高速ソリューション、より正確なグローバル タイミング システム、世界中での安全性の高い通信が可能になることが期待されています。 米国、EU、中国などでは、量子インターネットを構築するための大規模な政府の取り組みがいくつか発表されています。

量子インターネットを構築する際の最も困難な技術的課題の 1 つは、長い光ファイバーを介して量子ビットを送信する方法の問題です。 温度変動などの周囲条件の小さな変化によってファイバーが伸縮し、それによって脆弱な量子ビットがスクランブルされ、ファイバー内の弱い光パルスの位相遅延としてエンコードされます。

今回、東芝は、新しい「デュアルバンド」安定化技術を導入することにより、量子通信の記録的な距離を実証しました。 これにより、2 つの光基準信号が異なる波長で送信され、長いファイバ上の位相変動が最小限に抑えられます。 最初の波長は急速に変化する変動をキャンセルするために使用され、光量子ビットと同じ波長の 2 番目の波長は位相の微調整に使用されます。 これらの新しい技術を導入した後、東芝は、数百キロメートルのファイバーを伝播した後でも、量子信号の光位相を波長の数分の一以内、数十ナノメートルの精度で一定に保つことが可能であることを発見しました。 これらの変動をリアルタイムでキャンセルしないと、ファイバーは温度変化に応じて伸縮し、量子情報がスクランブル化されてしまいます。

デュアルバンド安定化の最初のアプリケーションは、長距離量子鍵配布 (QKD) です。 商用 QKD システムは、ファイバーの距離が約 100 ～ 200 km に制限されています。 2018年、東芝は距離を延長する方法としてツインフィールドQKDプロトコルを提案し、短ファイバと減衰器を使用して光損失に対する耐性をテストしました。 デュアルバンド安定化技術の導入により、東芝は長尺ファイバにツインフィールド QKD を実装し、初めて 600km にわたる QKD を実証しました。

「これは非常に興味深い結果です」と、この結果を説明した記事の筆頭著者であるミルコ・ピッタルガ氏はコメントしています。 「私たちが開発した新しい技術を使えば、QKDの通信距離をさらに延長することは依然として可能であり、私たちのソリューションは他の量子通信プロトコルやアプリケーションにも適用できます。」

東芝ヨーロッパの量子技術部門の責任者であるアンドリュー・シールズ氏は、「近年、QKD は大都市圏ネットワークの安全を確保するために使用されてきました。この最新の進歩により、量子リンクの最大スパンが拡張され、都市間を接続することが可能になります」と述べています。 「信頼できる中間ノードを使用せずに、国や大陸に接続できます。衛星 QKD と併用することで、量子的に安全な通信のためのグローバル ネットワークを構築できるようになります。」

株式会社東芝の常務執行役員兼最高デジタル責任者である島田太郎氏は、「量子技術における今回の成功により、東芝は量子ビジネスをさらに急速に拡大していきたいと考えています。当社のビジョンは、量子情報技術サービスのプラットフォームです。地球規模で安全な通信を可能にするだけでなく、クラウドベースの量子コンピューティングや分散量子センシングなどの革新的なテクノロジーも可能にします。」

この進歩の詳細は、本日科学雑誌 Nature Photonics に掲載されます。 この作業は、H2020 プロジェクト OpenQKD を通じて EU から部分的に資金提供されました。 チームは現在、将来の導入と展開を簡素化するために、提案されたソリューションを設計中です。

この最新の開発は、BTと東芝が英国初の産業用量子安全ネットワークを設置したという昨年の発表に続くものである。 National Composites Center (NCC) と Center for Modeling & Simulation (CFMS) の間でデータを送信する東芝の多重化互換性により、データと量子鍵を同じファイバー上で送信できるため、鍵配布のための高価な専用インフラストラクチャが不要になります。 短距離用の既存のインフラストラクチャを使用した多重化 QKD と、長距離用のツインフィールド QKD の組み合わせにより、商業的に実行可能なグローバルな量子安全ネットワークへの道が開かれます。

QKD を使用すると、ユーザーは信頼できない通信チャネル (インターネットなど) を介して機密情報 (銀行取引明細書、健康記録、プライベート通話など) を安全に交換できます。 これは、通信チャネル上で交換される情報を暗号化し、保護するために使用できる共通の秘密鍵を対象ユーザーに配布することによって実現されます。 秘密鍵のセキュリティは、鍵生成のために符号化され送信される個々の量子システム (光子、光の粒子) の基本特性に基づいています。 これらの光子が指定されていないユーザーによって傍受された場合、量子物理学により、指定されたユーザーが盗聴を認識できることが保証され、その結果通信が保護されます。

他の既存のセキュリティ ソリューションとは異なり、量子暗号のセキュリティは、私たちが周囲の世界を記述するために使用する物理法則に直接由来しており、このため、将来の数学とコンピューティングの進歩 (量子コンピュータの出現を含む) に対しても安全です。 ）。 これを踏まえると、QKD は企業や政府にとって運用に不可欠な通信を保護するための不可欠なツールとなることが期待されています。

詳しくは： Mirko Pittaluga et al、デュアルバンド安定化を備えた 600 km リピーターのような量子通信、Nature Photonics (2021)。 DOI: 10.1038/s41566-021-00811-0

雑誌情報:自然フォトニクス

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