2019 Fiscal Year Annual Research Report
Information communication technology ensuring the long term security over a century
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18H05237
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
富田 章久 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (60501434)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平野 琢也 学習院大学, 理学部, 教授 (00251330)
玉木 潔 富山大学, 学術研究部工学系, 教授 (20435928)
藤原 幹生 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所量子ICT先端開発センター, 研究マネージャー (70359066)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 量子鍵配送 / 秘密分散 / 量子通信 / 量子ネットワーク / 安全性保証 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では秘密分散とQKDの融合により超長期安全性を保証する情報通信ネットワーク基盤を構築することを目的としてネットワーク構築技術，長距離QKD技術，近距離高速QKD技術，秘密分散-QKDネットワーク理論の研究開発を行っている．
ネットワーク構築技術では，データ中継時において，正しい相手にパスワード情報を伝送する認証機能を持つシステムを開発した．パスワードの格納用デバイスとしてスマートフォンを用い機器認証機能も追加できる．保管されたデータの完全性の担保についても研究が進んでいる．
長距離QKD技術では，単一光子に近い光パルスを送出するため量子もつれ光源を用いたBBM92プロトコルを変形したプロトコルを提案しているが，今年度は有限長効果やパラメータ最適化を行い，性能のシミュレーションを行った．その結果，現実的な仮定の下でもAPD光子検出器を用いても200 km以上のQKD伝送が行えることが示された．さらに，測定器無依存(MDI)QKDの実装においても実現の鍵となる位相同期の実装法を考案した．
近距離高速QKD技術では，局部発振光の独立させる方法として光注入同期を用いる手法と電気的なフィードバックを用いる手法について研究を行った．光注入同期を用いる手法では，音響光学素子により信号光とパイロット光の周波数をずらし，波長分割多重により通信路を伝送させる方式を考案し，実証実験で信号光と局部発振光の相対的な位相が0.1秒以上安定に保てることを実証でき，原理検証に成功した．電気的なフィードバックを用いる手法では，広帯域低雑音のホモダイン検出器を開発しこれを用いてコスタス回路の動作を確認することができた．
秘密分散-QKDネットワーク理論ではQKD装置における光源の安全性保証に必要な理論構築を行い，検証可能かつ光源の広範囲な不完全性に対応できる安全性理論を得ることができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初より，本研究期間の前半は要素技術の開発を行い，最後にシステム統合を行うことを計画していた．現在のところ，全体として要素技術の開発は順調に進展しており，期待通りの成果が見込まれる．一部では実際のシステム開発も前倒しで進んでおり，さらに大きな成果が得られることも期待している．
ネットワーク構築，特に秘密分散技術については，現在安全なデータ中継を量子暗号ネットワーク上で実現する研究開発が進んでいる．
長距離QKD技術については，長距離化を阻害する要因を検討することによって，新しいプロトコルの提案とシミュレーション実証を行えた．また，当初から予定していたMDI-QKDに関しても最重要課題と位置付けていた光源の同期法を新たに考案し，実現の見通しをつけた．さらに，量子状態の評価技術の開発も着実に進展し，不完全性を持つ実際のデバイスにおいても安全性を保証する手法が開発されている．
近距離高速QKD技術についても，局部発振光の独立の研究開発は順調に研究が進展しており，原理実証に成功した．一方，光通信との共存については成果を前倒しで達成することができ，想定を超えて研究が進展した．
安全性理論の研究も着実に進展し，新たなプロトコルに対しても現実のデバイスを用いた安全性保証が行えるとなった．これらの成果は論文化されている．さらに，これらの成果を拡張することにより，実験グループが研究開発しているシステムにも直接適用できる見通しがついている．これにより，本研究で開発するQKDシステムの安全性保証が可能となる．
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| Strategy for Future Research Activity |
当面はそれぞれの担当項目の研究を進める．研究開発する技術内容には共通するものもあり，また，ネットワークとQKDシステム，理論と実験の間での連携が必要なため，年2回の全体ミーティングの他随時関係する研究者間でのディスカッションを行い，効率的に研究開発を進めていく．最終年度にはそれぞれの成果を統合してネットワーク上での機能実証を目指す．
ネットワーク構築技術では，Tokyo QKD Network上での長期安定性試験と，スループット計測を実施する．また実用性を向上するためのソフトウェアの改良を進める．その後は，秘匿計算の充実を図り，量子鍵配送ネットワークを用いた，安全なデータの二次利用を可能とする機能の実装を図る．
長距離QKD技術では高損失に耐えるQKDシステムを実現するため，当面2つのプロトコルの実装を目指す．新たに提案したプロトコルについては，2020年度に実証のための量子もつれ光源を開発する．その後，提案した方法の効果の実証，QKD装置実装に進む．MDI-QKDについては，位相同期を行うPLLを設計し，パルス同期を実証する．その後，QKDシステムとしての動作を検証する．
近距離高速QKDでは局部発振器の独立について，信号光を一光子以下の微弱なレベルで動作させるとともに，過剰雑音を定量的に評価し，理論計算と動作パラメータを合わせることにより，実際に安全な鍵の生成を2020年度内に実現することを目指す．光通信との共存については，原理実証実験ではスプールファイバーを用い，データ通信の光パワーに制限があったことなどを改善し，安定性の向上などの研究開発を行う．
秘密分散-QKDネットワーク理論では，これまでに構築した光源の不完全性に対する安全性理論をMDI-QKDへ拡張する．これまでに構築した安全性理論ではパルス数が無限である極限を考えていたが，今後それらを有限長に拡張する．
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Research Products
(19 results)
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[Presentation] Challenges in Parallel Operation of Quantum Key Distribution and Data Transmission2019
Author(s)
Tobias A. Eriksson, Takuya Hirano, Georg Rademacher, Benjamin J. Puttnam, Ruben S. Luis, Mikio Fujiwara, Ryo Namiki, Yoshinari Awaji, Masahiro Takeoka, Naoya Wada, and Masahide Sasaki,
Organizer
Advanced Photonics Congress, Signal Processing in Photonic Communications
Int'l Joint Research / Invited
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