近年、インターネット上での安全な商取引や個人情報の保護、機密情報の流出防止など、情報の安全性確保に対する要求が高まっています。現在一般に使われている公開鍵暗号は、盗聴しようとしても暗号の解読に膨大な時間がかかることを利用しています。しかし、この方式は、将来、新しい解読法が発見されたり、コンピュータの能力が飛躍的に向上すると、解読される危険性を有しています。

そこで、将来的に技術が進歩しても絶対に破られることのない次世代暗号技術として、量子暗号が注目されています。量子暗号では、微弱な光が持つ粒子（光子）の物理的性質を暗号鍵として利用します。光ファイバーを使い、情報の送り手と受け手であらかじめ暗号鍵を共有して、この鍵を使って情報を暗号化します。共有作業の途中で誰かが鍵を盗むと光子の状態に必ず痕跡が残り、受け手が盗聴を必ず検知できる仕組みです。この鍵を共有するための技術を特に''量子暗号鍵配送''と呼びます。これによって、将来どんなに科学技術が進歩しても、絶対に盗み見られることのない安全な情報伝送を保証する暗号通信が可能になります。

絶対安全な量子暗号の実現には、光子を制御する高度な技術が要求されるため、インターネット上での実用化にはまだ至っていません。実際の敷設光ファイバーで、量子暗号鍵配送を実現するためには、時々刻々変動する条件のもとでも、送り手から受け手へ正確なタイミングで光子を安定に伝送し、雑音の影響を抑えて正確に光子を検出できなければなりません。

しかし、これまでの量子暗号システムのほとんどは、実験室内に設置したコイル巻き状の光ファイバーを用いて実験されており、それでもファイバー長が100 kmを超えると、絶対安全な鍵の生成速度は1秒当たり数10ビットまで下がってしまうのが現状でした。また、鍵の生成速度を無理に上げると、ごく限られた盗聴法に対してしか安全性を保証できなくなるという難点もありました。さらに、送り手と受け手のタイミング合わせも、数メートル以下の電気ケーブルに限定されるなど、実用化には遠い実験となっていました。

今回の成果は、実際の敷設光ファイバーで97kmにわたり、絶対安全性を保証する「おとり信号付きBennett-Brassard 84*3」と呼ばれる暗号方式を用いて、世界最高の鍵生成速度（1秒当たり700ビット）を達成したものです。これは従来の室内実験に比べても10倍、敷設光ファイバー実験では100倍以上の向上に相当します。

大幅な性能改善を実現した技術は、以下の3つに集約できます。

これらの技術を集積し、現在最高の安全性を保証する量子暗号鍵配送方式を敷設光ファイバー上で世界最長かつ最高速に動作させることに成功しました。

今回の成果は、政府や金融機関のネットワークで、機密性の高い通信を実現する基盤技術として期待されています。特に、最近では情報システムからの機密情報の流出が問題となっており、重要情報を一元管理するデータセンターと利用者の端末間で秘匿性の高い通信ネットワークを構築しようとする動きが広がっている中で、今回の量子暗号鍵配送方式を応用し、そうしたネットワーク上での鍵配送に役立つものと考えられます。

実用化にあたっては、暗号システムの動作をさらに安定化させ、鍵生成速度も現状から1,０００倍程度向上させる必要があります。今回、そのために必要な技術課題が明確になり、数年以内に政府安全保障レベルの量子暗号鍵配送システムを実現するという目標が射程圏内に入ってきました。今後もNICTが中心となり、関係機関と連携して装置の小型化・低コスト化を進め、実用化に向けた研究開発を加速させていきます。

量子暗号鍵配送のイメージを図１に示し、今回のフィールド実験の概要を図2に示します。NICTが有する敷設光ファイバー施設（JGN2）のけいはんなオープンラボ内に量子暗号の送受信装置を設置し、奈良のNTT大安寺局舎との間の複数本の光ファイバーを用いて、光子を3往復させ、97kmの伝送を行っています。送り手側では、繰り返し周波数625 MHzで微弱光を変調し、800ピコ秒（１ピコ秒は1兆分の1秒）はなれたパルスの対に光子が1個だけ存在するように調整しています。

図3では、これまで伝送距離60km以上で行われた量子暗号鍵配送実験の主なものを比較しています。縦軸は秘密鍵を生成する前の種になる「生鍵」の生成速度を表します（実験条件や処理方式の違いによる比較補正を公正に扱うため、あえて生鍵で比較してあります）。従来のフィールド100km圏では100倍の改善、室内実験まで入れても10倍の改善を達成しています。