秘密が漏洩しないようにするにはどうすればよいでしょうか?量子通信に関する簡単な議論

時代の急速な発展に伴い、情報の迅速な伝達と広範な応用は人々の生活と社会の発展の重要な部分となっています。しかし、特に外交、軍事、経済などの分野では情報の機密性が極めて重要となるため、情報セキュリティの問題も発生します。量子通信技術の出現により、この問題を解決するための新たな希望がもたらされました。これは量子力学の基本原理に基づいており、量子状態を正確に操作して 2 点間の情報伝送を実現します。無条件に安全な通信方法であると考えられています。

量子通信の鍵

量子鍵配布は量子通信における重要なリンクであり、その中核は通信のセキュリティを確保することです。 1984年、物理学者のベネットと暗号学者のブラッサードは、量子力学の測定原理に基づいた「量子鍵配布BB84」プロトコルを提案しました。このプロトコルは光子の偏光特性を利用してキーを送信します。光子の偏光方向は特定のバイナリコードに対応します。送信機と受信機は、測定のための測定基数をランダムに選択して、バイナリ量子鍵のセットを生成します。

BB84 量子鍵配送プロトコル

光子は光の基本粒子であり、その偏光方向は比喩的に言えば空間内の電場ベクトルの方向として理解できます。一般的な方向は水平方向と垂直方向で、それぞれ H と V で表されます。これら 2 つの方向は互いに垂直であり、分極基底を構成します。また、量子鍵配送プロトコルでもよく使用される水平方向と垂直方向に対して 45 度の角度の方向があり、それぞれ「+」(正の 45 度) と「×」(負の 45 度) で表されます。

これを次のように理解することができます。光子をコインに例えると、光子の偏光方向はコインの偏向角のようなものです。 BB84 プロトコルは、光子の 4 つの偏向角を選択し、これらの偏向角を特定のバイナリ コードに対応させるようなものです。鍵を配布する際、送信者と受信者は、特定の偏光方向を持つ「コイン」（光子）が通過できるように、「+」や「×」などの測定基準である2種類の「穴」をランダムに設定する必要があります。測定が完了すると、両者は従来の通信チャネルを介して、使用した測定基準と測定結果を交換します。両者の測定結果が一致している場合、キーのこの部分は安全であることを意味します。一定の確率で矛盾が生じた場合、盗聴が発生する可能性があることを意味します。これは、量子鍵配布のプロセスにおいて、盗聴者が存在すると、その測定動作が必然的に光子の状態に干渉することになるからです。例えば、盗聴者が「コイン」（光子）の偏向角を測定し、それを受信機に送信する場合、測定操作によって「コイン」（光子）の偏向角が変化するため、受信機が送信者とは異なる測定結果を得る確率は 1/4 になります。このような不一致が発見されると、送信者と受信者は鍵の配布を停止します。これは、現在のキー配布プロセスが安全ではないことを示しているため、盗聴がないことを確認するまで、安全な環境を再選択して操作する必要があります。この特性により、量子鍵配送は理論的には無条件に安全な鍵共有を実現し、鍵のセキュリティを根本的に保証することができます。

BB84 プロトコルを通じて、送信者と受信者は最終的に同一のランダム キーを取得します。このキーを使用して実際の情報を暗号化できます。送信者は、従来の暗号化技術を使用して情報をバイナリ平文に変換した後、従来のチャネル (通常のネットワーク) を介して暗号文を受信者に送信できます。受信側が同じキーで復号化した後、まず元のバイナリ平文を取得します。従来の暗号化技術を使用してバイナリプレーンテキストをテキストに変換すると、受信側は情報を正常に読み取ることができます。

BB84量子鍵配送プロトコルの概略図

地上から宇宙へ：量子通信の発展とブレークスルー

科学者たちは量子鍵配布の原理を発見した後、通信ネットワークを構築するために何をしましたか?地上の光ファイバーネットワーク構築において、世界初の量子セキュア通信幹線「北京・上海幹線」の完成は重要な節目となる。しかし、地上の光ファイバーは伝送中に信号が失われるため、直接量子通信伝送の安全な距離が制限されるという問題があります。伝送距離を延長するためには、信頼できる中継局を複数設置する必要がありますが、これにより情報が盗まれるリスクが高まります。そのため、光量子通信における直接伝送の安全距離をどのように延長するかが研究上の難しさの一つとなっている。

天と地を結ぶ量子通信ネットワーク（図）

航空宇宙技術の発展に伴い、科学者たちは宇宙に注目するようになりました。宇宙空間のほぼ真空の環境では光信号の損失が減少します。量子衛星を中継局として利用することで、複数都市の大都市量子通信ネットワークを接続し、量子通信の距離を拡大することもできます。我が国の天宮2号宇宙実験室は「量子鍵配送特別実験」を実施しました。搭載機「量子鍵配送実験宇宙端末」は地上端末と連携して量子チャネルを確立し、空対地量子鍵配送実験を実施し、将来の実用的な宇宙地上統合型広域量子セキュア通信ネットワーク構築の基礎を築いた。また、「墨子」量子科学実験衛星も量子鍵配送実験において重要な役割を果たした。 「北京・上海幹線」などの地上局と接続し、天と地を結ぶ量子通信ネットワークを構築し、毎秒数千ビットの鍵生成速度を実現し、情報セキュリティを効果的に保護します。

量子鍵配送実験宇宙端末（概略図）

量子通信技術の応用展望は非常に広範囲です。日常生活において、オンラインバンキング取引、オンライン動画の閲覧、テイクアウトの注文などを行う際、量子暗号化技術が舞台裏で静かに私たちの情報セキュリティを守り、個人のプライバシー漏洩やデータ盗難を防いでいる可能性があります。航空宇宙分野では、機密性の高いデータの伝送に量子通信が不可欠です。重要な情報の安全な送信を保証し、情報漏洩による重大な結果を回避できます。技術の継続的な進歩により、量子通信はより多くの分野で重要な役割を果たし、情報セキュリティを保護し、より安全で効率的な方向への社会の発展を促進します。

量子通信は革命的な技術として、量子鍵配送の独自の利点を活かして地上から宇宙まで継続的に進歩を遂げ、情報セキュリティ分野で大きな潜在力と応用展望を示し、「天国の秘密は漏らさない」を徐々に現実のものに変えつつあります。

一部の情報は、中国科学院、新華網、国家暗号管理局の公式ウェブサイトなどから得たものです。

（科学評論：中国科学技術大学教授、上海研究所所長、陸朝陽氏）

彭成志（中国科学技術大学の名誉教授、博士課程指導者、アメリカ光学会会員）

担当編集：王磊