測定装置独立型量子通信プロトコル

量子鍵配送（Quantum Key Distribution, QKD）は、通信する2者（アリスとボブ）に対して情報理論的に安全な通信を提供する。しかし、理論的には安全であっても、QKDシステムは特に検出器において「サイドチャネル」と呼ばれるセキュリティの抜け穴が攻撃を受ける可能性がある。例えば、ハッカーが強い光を送り込み、誤った検出器の動作を強制する「検出器ブラインディング攻撃」や、検出器ペアの検出時間窓のわずかな不均衡を利用する「タイムシフト攻撃」などが知られている。

これらの脆弱性に対処するために、研究者たちは測定装置独立型（Measurement-Device-Independent, MDI）QKDプロトコルとその派生型を提案している。このプロトコルでは、アリスがボブに量子信号を送る代わりに、彼らは双方ともに信頼できない第三者であるチャーリーに信号を送り、チャーリーがその信号を測定し、その結果を公開する。このプロトコルは、アリスとボブがチャーリーに知られることなく、鍵情報を共有できることを保証する。チャーリーは信頼できず鍵情報を知ることができないので、このプロトコルは彼の検出器に存在するサイドチャネルに対して自動的に耐性を持つ。

しかし、MDI-QKDプロトコルには大きな課題がある。チャーリーという第三者が関与し、彼のもとで光子の干渉が利用されるため、アリス-チャーリー間とボブ-チャーリー間の通信経路において、光の損失が対称的でなければならない。実際には、地理的な位置や移動プラットフォームの影響で、通信経路が自然に対称になることはほとんどなく、これが長年にわたりMDI-QKDプロトコルの適用を大きく制限してきた。

この問題に対処するため、我々はソフトウェアの観点から解決策を提案し、非対称なMDI-QKDプロトコル[1-4]を設計した。このプロトコルは、送信信号の強度を調整することで、対称でない通信経路でも自動的に補正を行い、良好な性能を発揮できるようにしている。この技術により、MDI-QKDに基づいたスケーラブルなマルチユーザー量子通信ネットワークの構築が可能となり、QKDネットワークの実用的なセキュリティを大幅に向上させた。将来的には、より大規模な量子ネットワークに適した、さまざまなMDIプロトコルやその派生型の設計・最適化にも取り組んでいく予定である。

[1] W Wang, F Xu, HK Lo. "Asymmetric protocols for scalable high-rate measurement-device-independent quantum key distribution networks." Physical Review X 9.4 (2019): 041012.

[2] H Liu, et. al. "Experimental demonstration of high-rate measurement-device-independent quantum key distribution over asymmetric channels." Physical Review Letters 122.16: 160501 (2019).

[3] W Wang, HK Lo. "Simple method for asymmetric twin-field quantum key distribution." New Journal of Physics 22.1: 013020 (2020).

[4] X Zhong, W Wang, HK Lo, L Qian. "Proof-of-principle experimental demonstration of twin-field quantum key distribution over optical channels with asymmetric losses." npj Quantum Information 7, 8 (2021).