量子通信：将来の自律的かつ制御可能な情報セキュリティエコシステムにとって重要な保証

「量子」は現在注目されている研究分野となっています。観客として、「疑問があるときは量子力学に頼ろう」というジョークを使ったり、「量子ティーカップ」の IQ 税を払ったりしたことがあるかもしれません... しかし、量子テクノロジーとは正確には何でしょうか?知っていましたか？量子情報技術をテーマに、潘建偉院士のチームがこの科学普及記事を執筆しました。この記事では、量子情報技術に関する比較的完全な紹介と展望が提供されています。

情報セキュリティは、国家経済と国民生活に関わる重要な戦略分野です。従来の情報セキュリティは、計算の複雑さに依存する暗号化アルゴリズムによって実現されます。しかし、コンピューティング能力の急速な発展に伴い、計算の複雑さに依存する従来の暗号化アルゴリズムは、セキュリティ上のリスクが増大しています。

量子鍵配送に基づく量子セキュア通信は、現在までに原理的に無条件に安全な唯一の通信方法です。

量子鍵配布とは、量子状態を使用して情報を読み込み、特定のプロトコルを通じて鍵を生成することを指します。量子力学の基本原理により、鍵を盗聴できないことが保証され、安全な量子機密通信が実現します。量子セキュア通信のセキュリティは物理学の基本原理に基づいており、計算の複雑さとはまったく関係ありません。将来、強力な量子コンピュータが利用可能になったとしても、そのセキュリティは脅かされることはありません。

量子セキュア通信は、実用化され産業化された最初の量子情報技術です。量子鍵配布によって生成されるセキュリティ鍵は、原理的に無条件に安全な「ワンタイム・ワンパッド」暗号化方式に加え、従来の対称暗号化アルゴリズムと組み合わせて、セキュリティと通信速度のバランスをとることもできます。例えば、現在の技術レベルでは、量子鍵配布とAES（Advanced Encryption Standard）暗号化アルゴリズムを組み合わせることで、Gbps（スイッチング帯域幅）の通信速度を実現できると同時に、シード鍵の更新速度が大幅に向上し、通信セキュリティのレベルが効果的に向上します。さらに、次世代の「PQC（耐量子暗号）」と組み合わせることで、本人認証などのセキュリティを強化することもできます。

広域量子通信の発展の道筋

量子通信の開発目標は、地球規模の広域量子通信ネットワークシステムを構築することです。広域量子通信ネットワークの開発ルートは、光ファイバーを介して大都市量子通信ネットワークを実現し、次に中継器を介して2つの近隣都市を接続し、最後に衛星プラットフォームを経由したトランジットによって遠隔地を接続することです。

大都市量子通信ネットワークに関しては、中国科学技術大学は世界初の完全アクセス型大都市量子通信ネットワーク、世界初の量子政府ネットワーク、世界初の大規模大都市量子通信ネットワークを相次いで構築し、その過程で関連技術を成熟へと発展させてきた。独自に開発された量子セキュア通信装置は、多くの重要な活動に情報セキュリティ保護を提供してきました。

信頼できる中継に基づく都市間量子通信ネットワークに関しては、世界初の長距離光ファイバー量子セキュア通信バックボーンネットワーク「北京・上海幹線」が2016年末に全面開通した。幹線は北京と上海を結び、済南、合肥などを通過する全長2,000キロメートルを超える。沿線の金融、政府、電力などの部門の協力を得て、長距離量子セキュア通信の技術検証と応用実証が行われる。

国家発展改革委員会は、「北京・上海幹線」応用実証に基づき、2018年2月に「国家広域量子セキュア通信バックボーンネットワーク」プロジェクトを承認した。このプロジェクトは、北京・天津・河北、長江デルタ、広東、香港・マカオ、成都・重慶などの重要な地域をカバーし、量子セキュア通信の大規模な応用を推進する。

衛星と地上間の自由空間量子通信の分野では、中国科学院、中国科学技術大学の支援を受け、中国科学院上海工業物理研究所、超小型衛星イノベーション研究所などの協力を得て、世界初の量子科学実験衛星「墨子」の開発に成功した。

「墨子号」は2016年8月に宇宙に打ち上げられ、世界で初めて衛星と地上間の量子通信を実現し、7,600キロメートルの距離に及ぶ大陸間量子通信を初めて達成し、衛星プラットフォームを基盤とした地球規模の量子通信の実現可能性を全面的に検証した。

「墨子」が蓄積した成功経験を活用することで、量子衛星の開発コストは数億元から数千万元に削減されました。 2022年初頭には小型の量子衛星が宇宙に打ち上げられ、低コストの星座構築の基盤が築かれると予想されている。地上受信局の重量も10トン以上から約100キログラムに軽量化され、当初はモバイル量子通信をサポートできるようになった。中国は量子衛星「墨子号」と「北京・上海幹線」を組み合わせ、宇宙・地上一体型広域量子セキュア通信ネットワークのプロトタイプの構築を主導しており、これは近年の国際量子情報研究における重要な画期的な出来事となっている。

量子通信技術の応用と推進

2020年10月16日、中国共産党中央委員会政治局は量子技術の研究と応用の見通しに関する第24回集団研究を開催した。習近平総書記は研究を主宰し、「基礎研究、最先端技術、工学技術の研究開発を調整し、量子通信などの戦略的新興産業を育成し、量子技術における国際競争の主導権を握り、新たな開発上の優位性を築く」と指摘した。 「北京・上海幹線」と「墨子」量子衛星は、我が国の10年以上にわたる基礎・応用研究の成果を基にした工学統合・検証プロジェクトです。これらは、コアコンポーネントの自主研究開発、関連するアプリケーション標準の策定、将来の大規模アプリケーションに対して優れた実証効果を発揮し、商業および国家安全保障分野における量子セキュア通信の応用を着実に推進してきました。

量子通信コアデバイスに関しては、中国電子科技集団公司、中国科学技術大学、中国科学院上海マイクロシステム・情報技術研究所などが、通信帯域単一光子検出器や量子乱数発生器などの主要デバイスの初歩的な国産化を実現し、対外禁輸の壁を打ち破った。今後2～3年で主要部品のチップ化により、量子暗号装置のサイズは携帯電話サイズまで縮小され、コストも大幅に削減できる。関連する応用標準の策定に関しては、わが国の50を超える科学研究機関と企業が積極的に参加し、中国通信標準化協会、国家情報セキュリティ標準化技術委員会、暗号業界標準化技術委員会などの国家標準化組織が、量子セキュア通信技術の相互運用性、セキュリティ評価、アプリケーションサービスなどの側面に関する多数の国家標準と業界標準をまとめてきました。中国の学者たちは米国やカナダなど西側諸国の障害を突破し、国際電気通信連合において量子情報の全分野を網羅する世界初の標準化組織の設立を主導した。現在、数々の国際標準の策定を主導しています。

量子通信技術の発展展望

近年、中国の学者は単一光子レーダーの分野で国際的に影響力のある成果を数多く達成した。室温での赤外線単一光子検出の量子効率限界を突破し、長距離赤外線単一光子大気レーダー検出を実現した。昼夜を問わず大気の風場を連続的に検出し、単一光子イメージングの最長距離200キロメートルの世界記録を樹立しました。

同時に、単一光子レーダーは、視界から隠れた物体、つまり「非視線撮像」を観測するために使用することができ、「壁越しの物体観測」を実現し、テロ対策、暴動防止、緊急救助などの分野で幅広い応用展望を持っています。長距離の非視線撮影を実現し、撮影距離を数メートルから数キロメートルに初めて延長し、非視線撮影技術の実用化開発を大きく促進しました。

量子通信研究で開発された単一光子検出技術は、従来のLIDARの検出感度、検出距離、解像度などの性能を大幅に向上させることができ、いわゆる「単一光子レーダー」です。単一光子レーダーは、長距離、高精度のソフトターゲット（大気）とハードターゲット（物体）の検出を実現でき、地上地図作成、遠隔早期警報、地球規模の状況認識、大気汚染の検出と予測、航空宇宙運用などの分野で重要な役割を果たしてきました。

我が国の広域量子通信に関する先駆的な技術検証と応用実証により、ネットワーク技術は実用化の要件を初歩的に満たし、コア部品の局所化と設備の小型化が初歩的に達成され、重点分野での試験実施の条件が整いました。熾烈な国際競争の状況において、今こそ我が国が量子セキュア通信の応用を加速し、情報セキュリティにおける非対称優位性をできるだけ早く形成するのに最適な時期です。わが国は、約10年間の努力を通じて、完全な広域量子通信ネットワーク技術システムを構築し、将来的に独立した制御可能な国家情報セキュリティエコシステムの形成に重要な保証を提供することが期待されています。