東大など、単一光子源方式で従来比2倍となる120kmの量子暗号鍵伝送に成功

東京大学(東大) ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構、富士通研究所、NECの3者は9月28日、共同で単一光子源を組み込んだシステムで世界最長となる120kmの量子暗号鍵伝送に成功したと発表した。

同成果は、東大の荒川泰彦教授ら、富士通研、NECの研究グループによるもの。詳細は9月25日発行の「Scientific Reports」(電子版)に掲載された。

量子暗号は、第3者が鍵情報を伝送路上で盗み見ようとすると、光子に状態変化が生じるといった特性から、高度な秘匿通信を実現する技術として期待されている。実現には、単一光子源と呼ばれる光子を1個ずつ正しく生成するための装置が必要とされるが、従来はレーザー光を弱めた減衰レーザー光による疑似的な単一光子源が主に用いられており、これだと、鍵情報を盗み取れる可能性があった。一方、疑似ではない量子ドット単一光子源を組み込んだ量子暗号システムでは、単一光子の発生段階で余計な光子が混じることにより生じる単一光子源の高い複数光子発生率と、半導体検出器で光子を検出する際の高い雑音という2つの影響を受け、長距離伝送に有利な1.5μm波長帯においても安全鍵伝送可能距離は50kmにとどまっていた。

今回研究グループは、伝送距離を制限する主要因の1つである複数光子の発生率を1パルスあたり100万分の1に抑えた高純度の1.5μm量子ドット単一光子源を開発したほか、平面光回路をプラットホームとした通信波長帯単一光子源に最適化した低損失な干渉計を用い、温度変動や張力変動などに左右されない実用レベルの単一光子量子暗号鍵伝送システムも開発。低ノイズの超伝導単一光子検出器と組み合わせることで、単一光子源を組み込んだシステムとして従来比2倍となる120kmの安全鍵伝送を実証することに成功したという。

なお3者は、今後、単一光子源を含めたシステムの小型化および高速化を進め、2020年以降に主要都市圏をカバーする盗聴不可能な高セキュア通信の実現を目指すとしている。

量子暗号鍵伝送の結果

量子ドットを含む光学的ホーン構造の電子顕微鏡写真と、単一光子発生の模式図

今回開発された1.5μm帯高純度単一光子源

今回開発された長距離量子鍵伝送システム



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