| 研究課題/領域番号 |
18H01157
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| 研究機関 | 国立研究開発法人情報通信研究機構 |
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研究代表者 |
武岡 正裕 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, センター長 (70415850)
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| 研究分担者 |
平野 琢也 学習院大学, 理学部, 教授 (00251330)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 量子暗号 / ネットワーク通信路 |
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| 研究実績の概要 |
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）プロトコルの実証と、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。原理実証実験は、1台の送信装置から出た光ファイバーを3dBカプラーで２分岐し、2台の受信装置に接続して実施する。2019年度はプロトコルの原理実証実験を行うための実験装置の整備を進めた。具体的には、高出力光源の特性評価、受信装置のボックス化による安定性の向上、連続動作のためのプログラムの改良等を実施した。光源については、昨年度まで使用していた光源は、最大出力が-6dBm程度しかなく、3dBカプラーで2分岐した場合、２つの受信装置のホモダイン検出器のショット雑音とアンプ雑音の比が限られていた。そのため、約10倍の出力が可能な特注光源を入手して詳細な評価を実施し、CV-QKD用光源として使用可能であることを確認した。
理論研究においては、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継続し、量子ネットワーク上における他者間のエンタングルメント（GHZ型エンタングルメント）生成レートの原理的な性能限界を示す上界の導出に成功した。特に光損失通信路など、LOCC支援量子通信路容量が明らかになっている1対1通信路から構成される任意の量子ネットワークにおけるGHZエンタングルメント配信の厳密な量子通信路容量を明らかにすることに成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
原理実証実験で用いる高出力特注光源は、発振器を内蔵しており、最大ピーク電流200mAのパルス電流を高出力DFBレーザーに注入することができる。パルス幅と繰り返し周波数を変化させて、帯域5GHzの光検出器を用いてパルス光の時間波形を測定し、さらにホモダイン検出器を用いて雑音特性を評価した。その結果、従来よりも10倍以上の出力が得られ、多端子通信路のCV-QKD原理検証実験を実施するための光源の準備が完了した。受信装置のボックス化は、昨年度までは、ファイバー光学部品及びその両端のファイバーを固定しておらず、安定性が十分ではなかった。そこで、これらを全て固定するとともに、クロック生成回路も含めてボックス内に格納し、機械的な安定性の向上を実現することができた。連続動作のためのプログラムの改良については、ハードウェアを含めた問題点の洗い出し作業を進めた。
理論研究については、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進め、1対1通信路から構成される任意の量子ネットワーク上における多体エンタングルメント（GHZ状態）生成レートの上界導出に成功している。特に光損失通信路など、LOCC支援量子通信路容量が明らかになっている1対1通信路から構成される任意の量子ネットワークにおいては、上界かつ達成可能なレートであるいわゆる量子通信路容量の導出に成功した。一方、QKDにより密接にかかわる他者間秘密鍵の生成レートについては、エンタングルメントと同様の上界が得られると予想されているが、その導出に必要となるprivate stateに対する規格化条件の証明にさらなら工夫が必要であることが明らかとなっている。
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| 今後の研究の推進方策 |
2020年度は最終年度であるので、プロトコルの原理実証実験を進める。実験はまず、2019年度に準備をすすめた多端子通信路に対応する高出力パルス光源を組み入れた送信装置と、ボックス化した受信装置を長さ20kmのファイバーで接続した量子鍵配送実験を行う。この際、3dBの分岐を入れた状態で実験を行う。次に、分岐のもう一つの出力側に2台めの受信装置を接続して、2台目との量子鍵配送実験を行う。そして、２つの受信装置を同時に運転する実験を行う。これらの実験は、大学キャンパス内で作業を実施する必要があるが、新型コロナウィルスの感染拡大に伴う非常事態宣言が解除されるまでは、大学キャンパス内に原則として入構することが禁じられているため、非常事態宣言の解除後にこれらの実験を進める予定である。理論研究については、今年度の研究で明らかになった他者間秘密鍵蒸留の上界の導出に取り組む。具体的には、private stateに対する規格化条件がうまく導かれるように上界の定義の修正を試みるか、または新たな証明法の検討などを行う。
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