英ブリストル大学が都市サイズの暗号化量子ネットワークを構築

量子暗号技術は、量子物理学の技術を使って、超堅牢なリンクを介してコンピュータ同士が通信する未来を約束している。しかし、研究室でのブレイクスルーを多数のノードを持つネットワークにスケールアップすることは困難であることが証明されてきた。このたび、国際的な研究者チームが、メッセージを暗号化するための鍵を共有するためのスケーラブルな都市規模の量子ネットワークを構築した。

このネットワークは、高価な量子ハードウェアのコストを不当に増大させることなく、ネットワークのサイズを大きくすることができる。また、このシステムは信頼できるノードを必要としないため、セキュリティを犠牲にする弱点リンクを取り除くことができる。

英国ブリストル大学のリサーチフェローSiddarth Koduru Joshiは、実験室とブリストル市全域に配備されたファイバーの両方でテストを行った。彼と彼の同僚は、8つのノードを持つ量子ネットワークを使って、最も遠いノードが17キロ離れていることを、それらを接続する光ファイバーの長さで測定して、そのアイデアを実証した。研究チームの成果は、9月2日付の『Science Advances』誌に掲載された。

量子暗号では、量子物理学の法則を利用して、メッセージをエンコードおよびデコードするための秘密鍵を作成する。

最もよく使用されるQKDのプロトコルでは、一方の当事者であるアリスが量子ビットを準備し、もう一方の当事者であるボブに送信する。量子ビットは、2つの状態が量子的に重なった状態の粒子だ。ボブは、粒子の測定値のセットからランダムに1つを選ぶ。ボブが正しいタイプの測定値を選べば、アリスが量子ビットに符号化した値を知ることができる。

このような量子ビットの一連の測定の後、アリスとボブは公にメモを交換し、ボブの測定の特定のサブセットの結果を使用することに同意する（両者はこのサブセットの各量子ビットの値を知っている）。彼らは他の測定を破棄する。重要なことに、結果は公開されておらず、アリスとボブは公開リンク上で送信されたメッセージを暗号化・復号化するための秘密鍵を作成するためにそれらを使用する。

しかし、この方法はスケールアップが難しい。もう一人のユーザ、Charlieをネットワークに追加したいと想像してみると、一つの選択肢は、ボブとチャーリーが安全なリンクを確立することだ。そうすれば、アリスはボブを経由してチャーリーにメッセージを送ることができるが、彼女はボブを信頼しなければならない。

ボブを信用しないために、チャーリーはアリスとボブの両方に直接接続することができる。新しいノードを追加しても既存のノードを壊すことはできないので、チャーリーと通信するために余分なハードウェアが必要になる。そして、この問題は、1つだけ余分なノードを追加したときに発生する。新しいノードが追加されると、要件はコストと複雑さの中でマッシュルーム化する。たとえば、2ノードネットワークには1リンク、3ノードネットワークには3リンク、8ノードネットワークには28リンク、100ノードネットワークには4950リンクが必要だ。

Joshiらは、任意の2つのノード間でもつれ粒子を共有する別のQKDプロトコルを使用して、これらの問題の多くを克服した新しいタイプのネットワークを設計した。

このプロトコルでは、アリスとボブは、もつれた光子のペアを使用して秘密鍵を作成する。そのようなペアから1つの光子が与えられると、アリスは特定の測定のセットのうちの1つをランダムに実行する。ボブは自分の粒子にも同じことをする。フォトンはもつれているので、アリスとボブは同じ測定をしても同じ結果が得られる。二人はペアになった粒子の一連の測定を公開する。そして、同じ結果が得られるであろう部分集合を選択し、他の部分集合を破棄する。これらの結果は決して公開されることはなく、秘密鍵の基礎となる。

8つのノードのそれぞれが物理的に他のすべてのノードに接続されているネットワークを構築する代わりに、研究者たちは、アリス、ボブ、クロエ、デイブ、フェン、ゴピ、ハイジ、アイヴァンという名前の8つのノードにもつれた光子を送信する中央のソースを持つネットワークを作成した。各ノードは、ソースへの光ファイバリンク1本で接続されているだけなので、信頼できるノードを持たない従来のQKDで必要とされる28本のリンクよりもはるかに少ない8本のリンクになる。

ノードが物理的に接続されていなくても、研究者が開発したプロトコルは、量子もつれの魔法を介して、各ペア間の仮想リンクを確立し、各ペアが秘密鍵を作成することができる。

中央のソースには、いわゆる非線形結晶があり、その偏光がもつれている光子のペアを吐き出す。これらの光子は、数十ナノメートルのプラスマイナス数十ナノメートルを中心とした約1550ナノメートルの波長を持っている。もし、1,560ナノメートルの光子を探して見つけたとしたら、エネルギー保存の法則により、もつれた相手は1,540ナノメートルの波長を持っていることになる。そのような細い波長の一つがチャネル。中央の光源は、最初にもつれたペアの波長を16個のチャネルに分割する。これにより、片側が1から8まで、もう片側が-1から-8までの8組のチャネルが効果的に形成される。測定してみると、もちろん、光子は1組のチャンネルの中にのみ存在し、他のチャンネルには存在しないことがわかる。

これらのチャネルは、同じ光ファイバ内で結合（多重化）され、各ノードに送信されます。各ノードは異なるチャネルの組み合わせを取得します。例えば、アリスはチャネル2、6、7、8を受信し、デイブは-6、-4、-3、-1を受信し、ゴピは-8、-5、-4、-2を受信します。波長は、2つのノードが常に少なくとも1組のチャネルを共有するように選択されており、その中に光子が絡み合っている可能性がある。上記のスキームでは、アリスとデイブはチャネル6と-6を共有し、アリスとゴピはチャネル2と-2、8と-8を共有し、デイブとゴピは-4と-4を共有する。

各ノードはすべてのチャンネルを監視して、その中に潜在的な光子が現れた場合の偏光状態を測定します。したがって、光子検出器がアリスをクリックした場合、彼女は事実上、光子がある方向（水平または垂直）に偏光しているか、別の方向（対角または反対角）に偏光しているかを測定したことになります。偶然にも、他のノードのうちの1つだけが全く同じ時間に対応するもつれた光子を検出したことになる。

多数のもつれ光子のペアでこのような一連の測定を行った後、ノードはその光子数と光子が検出された時の対応するタイムスタンプをブロードキャストする。この情報により、ノードは、どのペアの光子がどのペアのノードによって測定されたかを把握することができる。例えば、アリスとデイブは、あるタイムスタンプの検出数に強い相関があることに気づく。この相関は、彼らのもつれた光子のシェアを表している。アリスとデイブは、これらの測定結果を使って、二人の間に鍵を確立することができるようになった。

また、必要な追加ハードウェアはノードの増加に比例して直線的に変化するが、これは以前の技術と比べて大幅に改善されている。さらに、どのノードも信頼する必要がなく、どのノードのペアでも安全なリンクを確立して、破られない量子鍵を作成することができ、メッセージのエンコードやデコードに使用することができる。

将来の大規模量子ネットワークは、少なくとも2つの大きな問題を解決しなければならない。1つは、任意の数のユーザーを相互接続しなければならないことだ。そのためには、量子状態を分配できる範囲を広げるための量子中継器や、量子ビットやもつれた粒子を地上のノードにビームダウンさせるための人工衛星のいずれかを使用する必要がある。