量子セキュア通信: 安全であれば、速度が遅いことは問題ではありません!

あなたの家のインターネット速度はどれくらいですか?ギガビット ネットワーク ケーブルは現在非常に一般的であり、効率の低下を考慮すると、家庭のインターネット速度が数百メガビットに達するのは普通です。たとえば、自宅のルーターからインターネットまでの速度を測定したところ、349 メガビット/秒でした。

あなたの家のインターネット速度はどれくらいですか?ギガビット ネットワーク ケーブルは現在非常に一般的であり、効率の低下を考慮すると、家庭のインターネット速度が数百メガビットに達するのは普通です。たとえば、自宅のルーターからインターネットまでの速度を測定したところ、349 メガビット/秒でした。

ネットワーク速度は349Mに相当します

さて、誰かがハイテク製品を提供すると言っても、インターネットの速度が 100 メガビット強に低下するとしたら、あなたはそれに応じますか?あなたは間違いなくそれを馬鹿げていると感じ、反対するでしょう。しかし、このハイテク技術によって通信は完全に安全になり、情報漏洩を心配する必要はないと彼が付け加えたとしたら、あなたはそれを実行しますか?

このハイテク技術は量子セキュア通信であり、量子暗号または量子鍵配布 (QKD) とも呼ばれます。その最大の特徴は、「無条件のセキュリティ」を実現できること、つまり、たとえ敵が無制限の計算能力を持っていたとしても、パスワードを解読できないことです。これは想像できる最高レベルのセキュリティです。現在一般的に使用されている機密保持方法は「条件付きセキュリティ」です。つまり、敵の計算能力が十分に強力であれば、パスワードを解読することができます。したがって、量子暗号は本質的に従来の機密保持方法よりもはるかに安全であり、構想されている量子インターネットは「破られないネットワーク」とも呼ばれています（人民日報は袁蘭鋒の「量子インターネットの未来」という記事を掲載しました）。

「量子インターネットの未来」（2023年1月11日人民日報科学技術概要欄掲載）（http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2023-01/11/nw.D110000renmrb_20230111_2-15.htm）

しかし、量子暗号の欠点は何かと聞かれれば、正直に答えます。それは遅すぎるということです。例えば、2021年1月には中国科学技術大学が宇宙地上統合量子通信ネットワークの構築を発表したという大きなニュースがありました（4,600キロメートルに及ぶ、中国は量子通信で世界をリードしています。欧米が追いつくのにどれくらいかかるのでしょうか？ | 袁蘭鋒）。これは、上空の「墨子」衛星と地上の「北京・上海幹線」を指します。前者は天と地の間の量子セキュア通信を実現し、後者は北京から上海までの2,000キロメートルの距離にわたる量子セキュア通信を実現します。両者を組み合わせることで、天地を統合した量子通信ネットワークを実現します。

中国の宇宙地上統合量子通信ネットワーク

しかし、北京・上海幹線の伝送速度はどのくらいでしょうか?論文の表 1 にデータが記載されています。最低は 28.1 kbps、最高は 235.4 kbps、平均はわずか 79.3 kbps です。単位はMではなくkです！言い換えれば、1秒あたり1兆未満です。

Nature 論文の表 1: 統合宇宙地上量子通信ネットワークにおけるバックボーン ネットワーク、4 つの大都市圏ネットワーク (北京、済南、合肥、上海)、2 つの地上局 (興隆、南山)、および Micius 衛星のさまざまな指標 (リレー数、ノード数、ユーザー数、接続数、平均長、損失率、コーディング率)

数十 kbps の伝送速度は、インターネットが初めて使われ始めた 1990 年代にまで遡ります。当時の典型的なインターネット接続機器は「cat」、つまりMODEM（モデム）と呼ばれ、その速度は数kから数十kが一般的でした。この低速ではテキストを読むのは問題ありませんが、写真をアップロードしたり、音楽を聴いたり、映画を観たりするには時間がかかり、さらに困難です。このようなインターネットのスピードは、それを体験した人々に、キャンパスの BBS やオンライン小説「First Intimate Contact」などの古代文化を思い出させるでしょう...

量子セキュア通信はなぜこんなに遅いのでしょうか?なぜなら、実際には量子力学演算を使用して鍵を生成する方法だからです。量子力学の驚くべき点は、第三者のメッセンジャーを必要とせずに、通信する両者が同じランダムな文字列をキーとして直接共有できることです。そのため、前述のように、量子鍵配送 (QKD) という技術的な名前が付けられています。ただし、キーが生成された後、無条件のセキュリティを実現するためには、「1 回、1 つのパスワード」、つまりキーは 1 回しか使用できないようにする必要があります。それだけではありません。キーの長さは、送信される平文情報と同じ長さでなければなりません。つまり、「紅楼夢」のコピーを無条件かつ安全に転送したい場合、生成するキーは「紅楼夢」と同じ長さである必要があります。

テレビシリーズ「紅楼夢」

ワンタイム パッドとは、このような長いキーを 1 回しか使用できないことを意味します。次回、「水滸伝」をもう一枚渡す場合、同じ鍵を再度使用することはできません。 「Water Margin」と同じ長さの別のキーを生成する必要があります。

キーが生成された後、暗号化された暗号文を送信する方法は非常に簡単です。暗号化された暗号文はすでに解読不可能であるため、従来の通信方法を使用できます。したがって、量子セキュア通信は 2 つのステップに分かれています。最初のステップはキーの生成であり、これは時間がかかります。2 番目のステップは暗号文の送信であり、これは高速です。これにより、量子セキュア通信の情報伝送速度は、最初のステップでの鍵生成の速度、つまり秘密鍵レート（略してSKR）に依存することがわかります。実際、前回の論文の表にはコーディング率が記載されています。

ここで重要な点があります。量子暗号のコーディング レートは、キーを生成するときに一度に 1 つの光子しか送信できないため、当然低くなります。はい、これは通常のコミュニケーションとは根本的に異なります。従来の通信では、多数の光子を含む非常に強い光線を使用できますが、量子鍵生成プロセスでは一度に 1 つの光子しか使用できません。

なぜ？光子を 1 つだけ送信した場合、敵は光子の半分を盗むことはできないため、そこから情報を盗むことはできません。光子は電子のようなものです。光子は 0、1、2、または 3 個しか存在できず、半分になることはできません。一度に複数の光子が放出された場合、敵はそのうちの 1 つを盗むことで秘密を盗むことができる可能性があります。これは「光子数分割攻撃」と呼ばれています（量子暗号に欠陥が見つかった？メディアは知識レベルを高め、無作為なニュースを作るのをやめてください | 袁蘭鋒）。したがって、一度に 1 つの光子を送信することが量子暗号の主要な技術的鍵となり、光子数分割攻撃を完全にブロックします。ただし、これにより、エンコード レートが比較的低くなることも決定されます。結局のところ、一度に 1 つの光子を送信することが、一度に複数の光子を送信することに追いつくことなどできるでしょうか。

光子数分割攻撃

したがって、量子暗号の実用化における最も明白なボトルネックとなるのは符号化率です。結局のところ、あなたの通信を完全に秘密にできると言っても、その速度はわずか数十キロバイトです。あなたの情報が本当に極秘で、どんな犠牲を払ってでも守らなければならないものでない限り、ほとんどの人はおそらくそれを受け入れないでしょう。

私は量子情報の普及に取り組んできた長年にわたり、さまざまな角度から量子情報に対する多くの攻撃を目にしてきました。より技術的なものの 1 つは、量子セキュア通信の符号化率が低すぎるため、役に立たないということです。たとえば、「符号化率」という単語を検索すると、「量子通信技術のジレンマの 1 つ: 極めて低い符号化率」(http://www.yiguangdian.cn/article/15) のような記事がすぐに表示されます。いくつか引用させてください:

「現代の高速、リアルタイム、マルチメディアインタラクティブ通信の分野では、カタツムリのように遅い符号化速度により、量子通信は足場がありません。…QKDの非常に低い符号化速度は物理原理によって決定され、エンジニアリング技術によって大幅な変更を加えることは困難です。…現代の高速、低遅延通信の時代に、超低符号化速度の量子鍵配布技術には参入ポイントがなく、応用の見込みはありません。」

本当にそうなのでしょうか？ここで皆さんにニュースをお伝えします。中国科学技術大学を母体として設立された中国科学院量子情報・量子技術革新研究所の潘建偉氏、徐飛虎氏らは、上海マイクロシステム情報技術研究所、済南量子技術研究所、ハルビン工業大学などの研究者と協力し、世界初となる100メガビットの速度でのリアルタイム量子鍵配布を実現し、これまでの符号化速度記録を一桁引き上げました（中国科学院量子情報・量子技術革新研究所、100メガビットの速度での量子鍵配布を実現 | Quantum Science Talk）。この結果は、2023年3月14日にNature Photonicsにオンライン公開されました（https://www.nature.com/articles/s41566-023-01166-4）。

毎秒110テラビットを超える高速量子鍵配送

ここで言及されている 100 Mbps という具体的なビットレートはどれくらいですか? 10 km の標準ファイバー チャネルでは 115.8 Mbps です。さて、もし誰かが、100 メガビットを超える速度で通信を完全に秘密にできると言ったら、それを受け入れる人はもっとたくさんいるのではないでしょうか。

なぜこのような劇的な展開が起きたのでしょうか?量子暗号は役に立たないと考える前回の記事の何が問題なのでしょうか?間違いは、問題を静的な視点で見ることです。

先の引用文に「QKD の極めて低い符号化率は物理的な原理で決まっており、工学技術で大幅な変更を行うことは困難である」という一文があります。実際、物理原理では、量子セキュア通信の伝送速度が従来の通信よりも低いことしか判断できず、その上限を判断することはできません。近年の実践により、量子暗号の符号化率が急速に増加していることが示されています。

たとえば、先ほど述べた北京-上海幹線の 79.3 kbps は低いように思えるかもしれませんが、その設計指標は何だと思いますか? 8kbpsです！ 8から80まで、実に期待を10倍も上回りました！

例えば、最新の 100 メガビットのニュースには、これまでのビットレート記録が 1 桁向上したという一文があります。これは、これまでの最高記録が2018年に達成された10メガバイトレベルであったが、今回100メガバイトレベルにアップグレードされたことを意味する。これらはすべて技術の進歩のスピードを反映しています。

非常に興味がある方は、100 メガビットのビット レートはどのようにして達成されるのかと疑問に思うかもしれません。答えは明らかであり、多くの面で進歩が必要です。例えば、送信側では、集積フォトニックチップ上で高速かつ高忠実度の偏光状態変調技術が開発されています。受信側では、高効率、低ノイズ、高計数率の超伝導ナノワイヤ単一光子検出器が開発されました。

この超伝導ナノワイヤ単一光子検出器は特に注目に値します。これは現在利用可能な最良の単一光子検出器であり、量子通信以外の分野でも多くの用途があります。特に興味深いのは、これが輸入ではなく中国で生産されていることです（超伝導単一光子検出器が高速量子通信に新たなブレークスルーをもたらす | Quantum Science Talk）。具体的には、中国科学院上海マイクロシステム・情報技術研究所のYou Lixingチームです（2,400万元の超伝導ナノワイヤ検出器は実際に国産です|科学技術院）。

さらに興味深いのは、You Lixing氏自身も当初これは不可能だと思っていたことです（https://www.cas.cn/zkyzs/2021/09/315/cmsm/202109/t20210914_4805673.shtml）！ 「九章」光量子コンピューティングプロトタイプの開発に参加する前、彼の単一光子検出器の効率は10％前後で推移していた。九章氏が提案した「80％の検出効率を達成する」という目標を初めて受け取ったとき、彼はそれが「不可能な課題」だと思った。 「数年にわたる『逆圧力』の後に実際に目標を達成し、さらに改善の余地も見つかったとは予想していませんでした。」

「共同イノベーション『ジョイント・フリート』が最核心量子研究基地を構築」（文匯日報、2021年9月9日、9面）

この物語は、基礎研究が工学応用に及ぼす影響という、より大きな全体像を私たちに示しています。例えば、中国の高エネルギー物理学コミュニティが江門ニュートリノ実験の準備をしていたとき、中国の光電子増倍管技術は大幅に向上しました（大型ハドロン衝突型加速器の競争に参加したいですか？まずは基本的な背景を理解しましょう | 袁蘭鋒）。もう一つの例は、中国が国際熱核融合実験炉（ITER）に超伝導線材を供給するレベルを年間数キログラムから数百トンに大幅に向上させ、世界をリードするようになったことだ（超伝導材料の発見から大規模応用までの距離は？【果てしないフロンティア － 「刺激的な」常温超伝導】｜科学技術院）。したがって、一時的なテクニカル指標が不足しているという理由だけで、その分野が詐欺であると考えるのは典型的な誤りです。わかりやすく言えば、船のマークを見て刀を探すようなものです。

このことはまた、量子暗号のような破壊的技術については、まずその質的な進歩を認識し、それがその根本的な価値であることを認識すべきだという思いを私たちに与えてくれます。量が足りないからダメだと言われるなら、何を改善できるかを考えるべきです。列車が最初に登場したとき、それは馬車ほど速くはありませんでしたが、先見の明のある人なら誰でも、列車の未来は馬車よりもはるかに良いと分かりました。同様の原理は量子暗号だけでなく、核融合、量子コンピューティング、宇宙探査など多くの分野にも当てはまります。これらの分野は詐欺だと言う人もいますが、実はすべて同じ考え方の誤りです。

質と量を区別できれば、専門用語だらけのアマチュア科学記事に惑わされることもなく、思考レベルは 99% の人々の思考レベルを超えるでしょう。ビル・ゲイツの有名な言葉に、「人々は常に今後 2 年間の変化を過大評価し、今後 10 年間の変化を過小評価する」というものがあります。もう一つの例は、SFの巨匠クラークの有名な引用です。「尊敬される老年の科学者が何かが可能だと言ったら、おそらくその科学者は正しい。しかし、何かが不可能だと言ったら、おそらくその科学者は間違っている。」

最後に、興味深いことをお話ししましょう。北京・上海幹線の平均速度はわずか79.3kbpsですが、量子セキュア通信携帯電話、人民元クロスボーダー決済・回収情報管理システム、電力ビジネスデータの量子暗号化伝送など、すでに多くのアプリケーションをサポートできます。これはなぜでしょうか?適切な計画を立てれば、極秘データの量は実際には非常に少なくなるからです。たとえば、軍事指揮システムでは、一連の戦術作戦を表すには数字で十分であり、これらの戦術計画はずっと以前に策定されています。さらに、一部のアプリケーションではリアルタイムのキー生成は必要ありません。この場合、ビットレートが低いことは全く問題になりません。キーを生成し、使用していないときに蓄積しておき、必要なときにアクセスするだけで十分ではないでしょうか?