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 東芝は2021年6月9日、量子力学的な特性を使って暗号鍵を送受信する量子暗号通信において、600km以上の通信に成功したと発表した。量子暗号通信は現状、安定性の面で長距離通信が困難で、製品レベルで100k〜200km、実験室レベルでも最長500km程度の通信距離にとどまる。東芝は世界最長の通信距離を実証したとしている。今回開発した技術により、脆弱点となる中継ポイントが不要な都市間などの広域の量子暗号通信ネットワークを構築する道が開けそうだ。

 量子暗号通信は、光ファイバーで結んだ2拠点において、光子に暗号鍵情報を載せて送受信する仕組み。量子力学的な特性を用いて盗聴者による盗み見を確実に検知できるため、量子時代の新たな暗号技術として世界で実証が進みつつある。

東芝が新たに開発した技術の概要。暗号鍵として使う光子とは別に、補正用の参照信号を載せた光信号を用いる
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東芝が新たに開発した技術の概要。暗号鍵として使う光子とは別に、補正用の参照信号を載せた光信号を用いる
(出所:東芝)

 東芝は今回、この量子暗号通信において長距離通信を可能にする新たな技術を開発した。具体的には暗号鍵を送受信する光子とは別に補正用の参照信号を載せた2つの光信号を、光ファイバーを介して送受信する。暗号鍵のビット列となる光子の位相状態は、温度変化や振動など光ファイバーが受ける外部要因によって影響を受ける。これらの影響を、参照信号を使って補正することで、長距離通信をした場合でも情報を安定的に送受信できるようにした。

 現状の量子暗号通信はこうした外部要因による影響を受けやすく、製品レベルで安定的に伝送できるのは100k〜200km程度が限度だった。長距離通信するためには、暗号鍵をいったん解く中継点を設けて、数珠つなぎにするといった対応が必要になっていた。

 参照信号を用いる新たな技術に加えて、東芝が既に開発済みの「ツインフィールドQKD」と呼ぶ技術を組み合わせることで今回、600km以上の量子暗号通信の実証に成功した。ツインフィールドQKDとは、暗号鍵を送受信したい2つの拠点から中継点に向けて光子を送信することで、通信距離を従来の最大2倍にできる技術である。

 量子暗号通信は長距離化に加えて、暗号鍵の配信速度の向上も課題だ。東芝が18年にツインフィールドQKDを用いて500km以上の量子暗号通信を実証した際、鍵配信速度はわずか0.1ビット/秒にとどまっていた。今回の新たな技術を用いることで、通信距離500kmにおける鍵配送速度は40ビット/秒になり、約400倍に向上した。

 新たな技術によって東芝は、これまで実質、都市内の通信に限られていた量子暗号通信の応用範囲を、都市間や国家間といった広域に広げられると期待する。