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光集積回路化により小型化した量子暗号通信システムの開発・実証に成功 ~プラントや工場間の機密データ通信への適用を目指す~

 株式会社東芝は2021年10月22日,量子暗号通信システムの主要構成機能である,量子暗号鍵の「送信」,「受信」とそのための「乱数発生」について,従来の光学部品による実装に替えて光集積回路化した「量子送信チップ」,「量子受信チップ」,「量子乱数発生チップ」を開発し,これらを実装した「チップベース量子暗号通信システム」の実証に成功したと発表した.本研究は,英国政府のInnovateUK共同研究開発プロジェクトAQuaSeC(Agile Quantum Safe Communications)の支援を受け,成果はNature Photonics誌に掲載された (注).

 将来,量子コンピュータが実現すると,現在広く利用されている暗号通信における暗号鍵が解読される可能性が指摘されている.量子暗号通信は,通信中の暗号鍵の盗聴を検出できるので,盗聴を検出した際,その暗号鍵を無効にし,新たな暗号鍵を発行することで,安全な通信を実現すると期待される.量子暗号通信の活用を,社会インフラやプラントのIoT機器によるモニタリングや工場間での設計・製造データの共有における産業情報の秘匿化の領域まで拡大させるには,システムの小型・軽量・低消費電力化が不可欠である.現在製品化されている量子暗号通信システムは,レーザーやビームスプリッタといった光学部品で実装した複雑な光回路で構成しており,小型・軽量・低消費電力化には限界があった.

 今回,東芝欧州社ケンブリッジ研究所において,量子暗号通信システムの主要な機能をチップ化し,これらを用いてリアルタイムの暗号化通信を可能とする「チップベース量子暗号通信システム」を開発した.量子暗号通信は,微弱な光信号の位相で表現された量子ビットによって配送される暗号鍵を用い,データを暗号化して通信する.開発したシステムでは,フォトン検出に高速ゲート単一光子検出器を用い,これらの量子ビットを送信する「量子送信器」,受け取る「量子受信器」,および暗号鍵を用意するために必要な一様性の高い乱数を発生する「量子乱数発生器」をFPGA利用によりチップ化した.試作チップ寸法は,量子送信チップが2×6 mm,量子受信チップが8×8 mm,量子乱数発生チップが2×6 mmと小型で,標準的な半導体製造技術を用いて1枚のウェハ上に数百のチップを一度に製造,量産できる.

 これら3つのチップを用いて,50 kmの光ファイバによる長距離の暗号鍵配送を実証した.また,生成した暗号鍵を市販の100 Gb/sの暗号化機器に配送することで,データを暗号化し,リアルタイムに暗号通信を行うことに成功した.都市内通信を想定した10 kmの光ファイバを用いた実験では,暗号鍵の生成速度は5.5日間の連続動作の平均値で470 kbpsに達し,ビデオ通話での活用ができる.本試作システムは,標準的な1Uサイズ(19インチ幅×1.75インチ高)のラックマウントモジュールに実装しており,従来システムより,小型・軽量・低消費電力化を実現している.

 今後,東芝グループでは本成果の2024年実用化に向けて研究開発を進め,安心して情報をやり取りできる情報社会の構築に貢献する,としている.

(注)T. K. ParaÏso, T. Roger, D. G. Marangon, I. De Marco, M. Sanzaro, R. I. Woodward, J. F. Dynes, Z. Yuan & A. J. Shields, "A photonic integrated quantum secure communication system",  Nature Photonics, Vol. 15, pp. 850-856 (2021), DOI: 10.1038/s41566-021-00873-0; Published: 21 October 2021