TX070 コミュニケーションテクノロジー(通信の秘匿性、安全性)

 この分野の研究開発は、中国に大きな遅れを取っているような気がしますね。

 日本は、軍事色なしで、この分野突き進んでほしいですね。

量子セキュア直接通信、最長距離である100kmを達成

100 km, the current Longest Distance of Quantum Secure Direct Communication

by Staff Writers
Changchun, China (SPX) Apr 13, 2022

レーザー:波長1550 nm、パルス繰り返し周波数50 MHz; FPGA field programmable gate array, ATT attenuator, PC polarization controller, ILP in-line polarizer, CIR optical circulator, PBS polarization beam splitter, FC 90:10 filter coupler, PMFC polarization maintaining filter coupler, PM phase modulator, IM intensity modulator with extinction ratio of 45.1 dB, ISO isolator, FR 90 degree Faraday rotator, SPD superconducting nanowire single-photon detector.

Confidentiality of communication is essential in modern societies. Traditional way of secure communication is to use encryption, which is based on the computational difficulty of certain mathematical problems such as factorizing large integers. In such schemes, the two parties first distribute a key using an asymmetric cryptographic algorithm such as RSA, which is based on the difficulty of integer factorization.

 現代社会において、通信の秘密は必要不可欠である。従来の通信の安全性を確保する方法は、大きな整数の因数分解など特定の数学的問題の計算難易度に基づく暗号化を用いることであった。このような方式では、まず両者がRSAのような非対称暗号アルゴリズムを使って鍵を配布し、整数の因数分解の難しさを利用することになる。

Then they use the distributed key as the key in the symmetric cryptographic algorithm such as AES to transfer the message. However, Peter Shor designed an algorithm in 1994 that factorizes integers easily in a quantum computer, therefore cryptographic scheme such as RSA will become obsolete in the quantum computer era. Rapid progress in quantum computing hardware is posing serious threats to asymmetric encryption schemes. To meet this challenge, one can use either post quantum cryptography (PQC), classical cryptographic algorithms that can resist quantum computing attack, or quantum key distribution (QKD) that negotiates secure key using quantum states.

 そして、その分散鍵をAESなどの共通鍵暗号アルゴリズムの鍵として使い、メッセージのやり取りを行う。しかし、1994年にピーター・ショーが量子コンピュータ上で整数を簡単に因数分解するアルゴリズムを考案しており、RSAのような暗号方式は量子コンピュータ時代には時代遅れとなることが予想されています。このように、量子コンピュータの急速な発展は、非対称暗号方式に深刻な脅威を与えている。そこで、量子コンピュータの攻撃に耐える古典的な暗号アルゴリズムであるポスト量子暗号(PQC)や、量子状態を用いて安全な鍵の受け渡しを行う量子鍵配送(QKD)などが提案されています。

Is it possible to securely transmit information directly without using explicit encryption? The answer is yes, and the technology is quantum secure direct communication (QSDC), invented in the start of the new millennium by Gui-Lu Long and Xiaoshu Liu. QSDC transmits information directly using quantum states, and it does not require a pre-shared key. Of course, QSDC can also distribute secure key like QKD, and then used in classical communication with symmetric encryption.

 明示的な暗号化を行わず、直接的に情報を安全に伝達することは可能なのだろうか。その答えは「イエス」であり、その技術が、Gui-Lu LongとXiaoshu Liuによって新世紀初頭に発明された量子安全直接通信(QSDC)である。QSDCは、量子状態を用いて直接情報を送信するため、事前共有鍵が不要である。もちろん、QSDCはQKDのように安全な鍵を配布し、対称型暗号を用いた古典的な通信に利用することも可能です。

In a recent paper published in Light Science and Application, a team of scientists from Gui-Lu Long’s group and Jianhua Lu’s group, of Tsinghua University and Beijing Academy of Quantum Information Sciences, China, designed and implemented an elaborate physical system with much enhanced performance. The proposed scheme uses photonic time-bin states for monitoring, and phase states for communication respectively.

 中国清華大学と北京量子情報科学院のGui-Lu LongグループとJianhua Luグループの研究チームは、Light Science and Application誌に掲載された論文で、性能を大幅に向上させた精巧な物理システムを設計・実装したことを明らかにしました。提案された方式は、モニタリングにフォトニックタイムビン状態を、通信に位相状態をそれぞれ使用します。

This design has several advantages. First, the system is robust against both polarization and phase errors. It does not use active feedback and the precise matching of the pair of interferometers. Second, the newly designed system greatly increases the reliability of the system and leads to ultra-low quantum bit error rate (QBER) of less than 0.1% at normal conditions, one order of magnitude better than existing systems. Because of this, the transmission distance of this new QSDC system has been increased from the previous 18.5 km to a new record of 100 km in fiber.

 この設計にはいくつかの利点があります。まず、このシステムは偏光と位相の両方の誤差に対してロバストである。また、アクティブ・フィードバックや干渉計のペアの正確なマッチングを使用しない。第二に、新設計のシステムは、システムの信頼性を大幅に向上させ、通常の状態で0.1%以下という、既存のシステムより一桁以上低い量子ビット誤り率(QBER)を導く。このため、この新しいQSDCシステムの伝送距離は、従来の18.5kmから、ファイバーによる100kmの新記録を達成しました。

The transmission rate of the new QSDC system is 0.54 bps at 100 km. Transmission rate strongly depends on the transmission distance. At shorter distance, the transmission rate is much higher. It is 22.4 kbps at 30 km of fiber, which will satisfy the rate requirement of many practical applications.

Currently, the system is operating at 50 MHz repetition rate, and it can easily be upgraded to 1 GHz using off-the-shelf technology, and the transmission rate will also be increased consequently. Moreover, by combining QSDC with PQC, one can construct secure-repeater quantum network, which can extend the transmission distance endlessly by using classical repeaters at nodes between 30 to 50 kilometers apart.

 新QSDCシステムの伝送速度は、100kmで0.54bpsです。伝送速度は伝送距離に強く依存する。短い距離では、伝送速度ははるかに高くなります。30kmのファイバーでは22.4kbpsであり、多くの実用的なアプリケーションのレート要求を満たすことができるだろう。

 現在、このシステムは50MHzの繰り返し周波数で動作していますが、既製の技術を使って簡単に1GHzにアップグレードでき、その結果、伝送速度も向上します。さらに、QSDCとPQCを組み合わせることで、30~50km離れたノードに古典的な中継器を用いて伝送距離を無限に拡張できるセキュアリピータ量子ネットワークが構築できる

The scientists summarize their work in the following. “The primary contributions of this work are: (1) We proposed a novel design of physical system with a new protocol. We use both photonic time-bin and phase states and choose the time-bin states for eavesdropping detection and use the phase states for communicating the message; (2) We designed a quantum-memory-free QSDC scheme based on low-density Bose-Chaudhuri-Hocquenghem error correction codes; (3) We implemented the system and tested it with a clock-rate of 50 MHz through fiber at different distances.”

 科学者たちは、自分たちの仕事を次のように要約している。”この研究の主な貢献は以下の通りです。(1)新しいプロトコルを持つ物理システムの斬新な設計を提案した。フォトニックタイムビン状態と位相状態の両方を使用し、盗聴検知にはタイムビン状態を選び、メッセージの通信には位相状態を使用する。②低密度Bose-Chaudhuri-Hocquenghem誤り訂正符号に基づく量子メモリフリーQSDC方式を設計した。③システムを実装し、異なる距離でファイバを通してクロックレート50 MHzでテストした。”

“The system is free from phase and polarization drift, does not use the complicated active compensation subsystem. This enables an ultra-low QBER and the long-term stability against environmental noises. The new optical design uses a two-way structure, and it allows the returned pulses to bypass the modulators, which supports high clock-rate modulation up to 1 GHz, hence giving a high transmission rate.” they added.

 「位相・偏波ドリフトがなく、複雑なアクティブ補償サブシステムを使用しない。これにより、超低QBERを実現し、環境ノイズに対する長期安定性を実現しました。また、新しい光学設計は双方向構造を採用しており、帰還パルスが変調器をバイパスすることで、1GHzまでの高クロックレート変調に対応し、高い伝送レートを実現しています」とも述べています。

Research Report: Realization of quantum secure direct communication over 100 km fiber with time-bin and phase quantum states


Related Links
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics And Physics, CAS
Understanding Time and Space

Best regards,
Shoichi Sugiyama, Ph.D.


[参考] 日本でも量子通信のプロジェクトは幾つか実施されています。

(1)SIP:光・両氏を活用したSociety5.0実現化技術

https://www.qst.go.jp/site/sip/35678.html

量子通信はNICTが中心

 →★このプロジェクトは、東大の同じグループの人がかかわっています。

(2)「Tokyo QKD Network」:NICT、NTT他

https://www.rd.ntt/brl/result/activities/file/report10/report25.html

(3)東芝

https://www.global.toshiba/jp/technology/corporate/rdc/rd/topics/21/2106-02.html

日本は軍事色が出ていませんが、中国、欧米はもっとギラギラしていますね。

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