研究課題
本研究は、複数の受信者がファイバーで接続された多端子通信路（ブロードキャスト通信路）において、送受信者全員が協力して秘密鍵蒸留を行う新しい量子鍵配送（QKD）方式の実証と、より一般的なネットワーク量子通信路における量子暗号・量子通信へと拡張する理論研究を目的としている。ブロードキャスト型QKDの原理実証実験に向けては、連続量量子暗号（CVQKD）の送信機１台、受信機2台が必要であり、既にある1対の送受信機に加えて、平成30年度は2台目の受信機の製作を行った。この2台目のCVQKD受信機は、市販部品を用いて低コストに製作することを目指した。電圧信号の入出力には、ストリーム入出力が可能なADCボードとDACボードを用い、これらのボードを自作した制御用PCに装着し、動作確認を完了した。そして、市販のADC・DACボードを用いて送受信者のデータ間の対応を実現する新しい手法を考案し、このプログラムを実装し、考案した手法の有効性を確認した。また、送信機1台、受信機2台の構成で量子鍵配送を実行するための制御プログラムの概念設計を完了した。また、将来的な量子暗号の既存ネットワークへの適用を目指した取り組みを行い、連続量量子暗号と大容量光通信の１つのファイバー中での伝送実験に成功した。理論研究として、量子ネットワークにおける多体の秘密鍵・エンタングルメント共有に関する原理的な性能限界を明らかにするための検討を行い、上界導出の際の理論的課題を明らかにした。
1: 当初の計画以上に進展している
プロトコルの原理検証実験のために、平成30年度は2台目の受信機の製作を行い、当初の計画に沿って予定通り進めることができた。多端子通信路の実験を行うために、市販のDACボード及びADCボードを用いた受信機を実現し、その際に課題となるデータ同期を実現する新しい手法の実証を行った。これは、送信者の乱数データ、受信者の乱数データとホモダイン検出器の測定データの３つのデータ列の間の同期をとる手法であり、ハードウェア的な同期信号を用いることなく、多端子通信路の場合でも、それぞれの送受信者間でソフトウェア的に事後に対応関係を見つけることができる手法である。３つのデータの間の同期であるので2次元的な探索となり、膨大な組み合わせの中から正しい一つを選び出す必要がある。本手法では、測定データ間の相関に注目して、1次元的な探索を2回行うことで、正しい対応関係を効率よく見出すことができた。さらに、当初の計画以上の進展として、将来的な量子暗号の既存ネットワークへの適用を目指し、単一のファイバー中での超高速光通信と連続量量子暗号の波長多重実験に取り組んだ。量子暗号チャンネルへのクロストークを抑制する適切なノッチフィルターを開発することにより、100波多重で計18.3 Tbpsの超高速光通信と連続量量子暗号（1波長）を１つのファイバー中で伝送する実証実験に世界で初めて成功した。理論研究として、量子ネットワークにおける多体の秘密鍵・エンタングルメント共有に関する原理的な性能限界を明らかにするための検討を行い、上界導出の際の理論的課題を明らかにした。
プロトコルの原理実証実験については、2台目のCVQKD受信装置の製作を完了し、この2台目の受信装置を用いて、まずは、1対1の量子鍵配送を実施することを目指す。送信装置と2台の受信装置を結ぶ量子通信路は、送信装置から出た光ファイバーを3dBカプラーで分岐し、2台の受信装置に接続する。光ファイバーには20kmのシングルモードファイバーを用いる予定である。さらに、本装置を用いた実用的な量子鍵配送を行うためには、ストリーム出力可能なDACボードを用いて、途切れることない連続的な変調信号の出力を実現する必要がある。現状では、有限のデータサイズの出力にとどまっているので、バッファーを用いてデータを更新するプログラムを実現する。制御プログラムは、受信者が複数いる多端子通信路でも、誤り訂正と秘匿性増幅を実行し、暗号鍵を生成できるものを開発する。理論研究については、今年度の研究で明らかになった多体エンタングルメント蒸留の上界の改良に取り組む。具体的には、ブロードキャスト通信路の量子通信容量の研究において重要な役割を果たしているstate mergingの手法を、多体エンタングルメントの上界に取り入れることを試みる。
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