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Jun 03, 2023

データ通信のための突破不可能な暗号化: 研究者が量子鍵配布を研究室の外に持ち出す

By The Optical Society 2021 年 6 月 18 日 フィールド試験では、イタリアの既存の電気通信ネットワークで単純な QKD システムが動作することが示されました。 新しい研究で、研究者らは自動化された操作が簡単なシステムを実証しました。

By The Optical Society2021 年 6 月 18 日

フィールド試験では、シンプルな QKD システムがイタリアの既存の通信ネットワークで動作することが示されています。

新しい研究で、研究者らはイタリアのパドヴァ市でファイバーネットワークを使用した、自動化された操作が簡単な量子鍵配布（QKD）システムを実証しました。 このフィールドテストは、世界中の多くの地域ですでに設置されているタイプの通信ネットワークを使用して、この安全性の高い量子通信技術を実装するための重要なステップを表します。

QKD は、光の量子特性を使用してデータの暗号化と復号化のための安全なランダム キーを生成するため、データ通信に侵入不可能な暗号化を提供します。

「QKD は、鍵交換プロセスに無条件のセキュリティを提供するため、セキュリティが最優先されるあらゆる状況で役立ちます」と、ルカ カルデラロ氏およびジュリオ フォレット氏との新しい研究の共同筆頭著者であるイタリアのパドヴァ大学のマルコ アベサーニ氏は述べています。 。 「たとえば、病院間で送信される健康データや銀行間の送金の暗号化と認証に使用できます。」

研究者は、イタリアのパドヴァでファイバーネットワークを介して新しいシンプルな QKD システムを実証しました。 市内中心部の地図 [©2021 Google] によると、送信機は UniPD の ICT センターに設置され、受信機は数学部に設置されていました。 送信機と受信機は、展開された 3.4 km のファイバーによって接続されました。 クレジット: パドヴァ大学、QuantumFuture Group

「QKD システムは通常、複雑な安定化システムと追加の専用同期ハードウェアを必要とします」とアベサニ氏は述べています。 「私たちは、次のような完全な QKD システムを開発しました。

標準の電気通信機器と直接接続されており、同期のための追加のハードウェアは必要ありません。 このシステムは、サーバー ルームによくあるラック エンクロージャに簡単に収まります。」

QKDに必要な量子状態を生成するために、研究者らは単一光子の偏光を操作するための新しいエンコーダーを開発した。 研究者らが iPOGNAC と呼ぶこのエンコーダーは、頻繁な再キャリブレーションを必要としない、固定された安定した偏光基準を提供します。 この機能は、再校正の実行が難しい自由空間および衛星量子通信にも有利です。

「私たちが開発した技術のおかげで、私たちのシステムを研究室から実地試験の場所に移動したときに、ソースは量子状態を生成する準備ができていました」とカルデラロ氏は述べています。 「ほとんどの QKD システムに必要な、時間がかかり、失敗しやすい調整手順を実行する必要はありませんでした。」

新しい QKD システムの送信機全体は、サーバー ルームでよく見られる 19 インチ ラック エンクロージャに収まります。 クレジット: Luca Calderaro、パドヴァ大学

研究者らはまた、2 人の QKD ユーザーのマシンを同期するための、Qubit4Sync と呼ばれる新しい同期アルゴリズムも開発しました。 新しいシステムでは、専用の追加ハードウェアや同期用の追加周波数チャネルを使用するのではなく、ソフトウェアと QKD に使用されているのと同じ光信号を使用します。 これにより、システムが小型化、安価になり、既存の光ネットワークへの統合が容易になります。

新しいシステムをテストするために、研究者らは2台のQKD端末をパドヴァの異なる区域にある約3.4キロ離れた2つの大学の建物に持ち込んだ。 彼らはシステムを大学の通信ネットワークの一部である 2 本の地下光ファイバーに接続しました。 これらのファイバーは、量子ビットを運ぶ量子チャネルと、補助情報の転送に必要な古典チャネルをサポートしました。

「実地試験は成功しました」とフォレット氏は語った。 「私たちの単純なシステムが毎秒キロビットの速度で秘密鍵を生成できること、そして人間の介入をほとんど必要とせずに実験室の外で動作することを示しました。 取り付けも簡単ですぐにできました。」

公開デモンストレーションでは、研究者らはそのセットアップを使用して、パドヴァ大学の学長と数学学部の部長の間で量子的に保護されたビデオ通話を可能にしました。 研究者らは、このシステムの性能は秘密鍵生成速度の点で他の商用QKDシステムに匹敵する一方、コンポーネントが少なく、既存のファイバーネットワークへの統合が容易であると指摘している。