中国の量子鍵システム、強いノイズに耐え150キロの光ファイバーを共用

量子セキュリティ実験、一般的な通信ネットワークへの導入に前進

中国の研究チームは、ノイズ許容度が425キロヘルツの量子鍵配送を実証し、従来型の光通信と同じ光ファイバーを共用して150キロにわたる伝送を試験した。この研究は、量子セキュアネットワークの実用化に向けた課題、すなわち通信機器が運ぶはるかに強い光信号にさらされても、脆弱な量子信号を利用可能な状態に保つことに取り組んでいる。

中国科学技術大学の郭光燦院士が率いるチームは、河南省量子情報・量子暗号重点実験室、南京郵電大学と共同で研究した。参加した研究者には、韓正甫、陳偉、尹振強、王双が含まれる。

米国物理学会が2026年9月30日に発表した、チームのPhysical Review Letters掲載論文は、繰り返し周波数2.5ギガヘルツで動作するシステムについて述べている。ノイズカウントが425キロヘルツでも安全な鍵を生成できたと報告しており、これは単独システムの許容度を4桁上回る。また、通信路の減衰が30デシベルの条件で、毎秒キロビット級の安全な鍵生成速度を達成した。

これらの結果は、性能の異なる側面を測るものだ。繰り返し周波数はシステムの動作速度、ノイズカウントは不要な検出イベントの数、安全な鍵生成速度は処理後に得られる利用可能な秘密鍵の量を表す。実験が示す内容を正しく理解するには、これらの数値を区別することが不可欠だ。

主な進展は、アドバンテージ蒸留と呼ばれる手法に、高速な信号符号化と小型の半導体検出器を組み合わせた点にある。量子信号をノイズから遮断することだけに頼るのではなく、ノイズを含む鍵データの処理方法も変えた。

何を守るのか

量子鍵配送（QKD）は、量子状態を使って2者が共有の秘密鍵を確立する技術だ。その鍵は暗号化通信に利用できる。今回の実験が対象とするのは鍵の配送であり、システムの動作周波数である2.5ギガヘルツで通常のメッセージを送信することではない。

この技術の魅力は、情報理論的安全性にある。プロトコルの前提が成り立つ限り、秘密性は攻撃者が難しい数学問題を解けないことに依存しない。量子信号と鍵生成時の検査によって、参加者は測定結果から秘密鍵を取り出せるかどうかを評価できる。

この研究では、一般にMDI QKDと略される測定装置非依存型QKDを用いている。その安全性は測定装置を信頼することに依存しない。基盤となる量子プロトコルが健全でも、検出器が実装上の弱点を持ち込む場合があるため、これは重要だ。

この用語は、ネットワークのあらゆる部分を無視できる、あるいは安全とみなせるという意味ではない。信号の準備やプロトコルのその他の前提は依然として重要だ。具体的な利点は、測定装置を信頼する必要をなくしながら、厳しい光学環境でも秘密鍵を生成できることにある。

背景光が深刻な障害となる理由

量子通信では極めて弱い光信号を使う。従来型の通信機器はそれよりはるかに強い信号を扱い、光ファイバー内の非線形効果によって余分な光が生じることがある。この不要な光は、意図した量子情報を表さない検出イベントの原因になり得る。

問題は単に通信回線がノイズを含むことではない。測定データに誤りが多すぎたり、有用な相関が少なすぎたりすると、参加者は安全な鍵を取り出せない可能性がある。つまり、光学的に動作していても、利用可能な秘密情報を生成できないシステムがあり得る。

自由空間通信でも、別の要因による同様の課題に直面する。衛星通信やドローンなどのプラットフォームは、太陽光を含む強い周囲光にさらされることがある。研究はこうした環境をノイズ許容度向上の動機として挙げているが、報告された150キロの共存実験には光ファイバーが使われた。

フィルターは不要な光を除くのに役立つが、限界もある。有用な信号まで捨ててしまうことがあり、機器の複雑さも増す。チームの手法は、低ノイズ検出と、よりノイズの多い測定記録から秘密鍵を取り出すことを目指す方法を組み合わせ、物理層とデータ処理の両面から課題に取り組む。

アドバンテージ蒸留が計算をどう変えるか

アドバンテージ蒸留は、生の鍵データをグループ単位で処理し、秘密鍵の生成に利用できる相関を強める。生データとは、参加者が利用可能な秘密鍵を確立するための検査や処理を終える前に得られる初期記録のことだ。

基本原理は選択的な処理にある。生の鍵データの各要素を等しく有用と扱うのではなく、グループ内の関係を使って、秘密鍵の生成に適したデータを残す。この方法であらゆるノイズを無害化できるわけではないが、有用な秘密情報を取り出せる条件を広げられる。

研究者は、このシステム向けにアドバンテージ蒸留の有限鍵長の扱いを確立した。これは重要な実用上の違いに対応するものだ。実験で収集できるデータ量には限りがある一方、理想化した計算では無限に大きなデータセットを仮定する場合がある。安全性と性能の評価には、限られたデータに伴う統計的不確実性を考慮しなければならない。

今回報告された新規性は、この理論研究と実験装置に支えられた、アドバンテージ蒸留に基づくMDI QKDの実用実装だ。アドバンテージ蒸留そのものをこの研究で発明したという主張ではない。

データ処理だけでは、利用可能な測定の必要性を代替できないため、ハードウェアも重要だ。高速な並列符号化によって量子信号を高速に供給し、小型の半導体単一光子検出器によって、論文が取り上げる大型で多くの資源を要する検出装置を使わずに、低ノイズ検出を実現する。

性能の数値が実際に示すもの

システムのノイズ閾値425キロヘルツは、毎秒42万5,000回のノイズカウントに相当する。論文は、このノイズ量があっても安全な鍵を生成できると報告している。これは検出カウント率であり、光パワーやメッセージを暗号化する速度を示すものではない。

4桁の向上は1万倍を意味する。したがって、研究で示された比較は、基準として用いた単独システムに対し、ノイズ許容度が非常に大きく向上したことを表す。あらゆる既存のQKD設備に対する普遍的な性能比と解釈すべきではない。

安全な鍵生成能力の向上として報告されたのは2桁、すなわち100倍だ。これはノイズ許容度が1万倍になったという結果とは別のものだ。一方は安全な鍵を生成する能力を、もう一方はシステムが耐えられるノイズ量を表している。

2.5ギガヘルツでは、システムは毎秒25億回の繰り返しで動作する。最終的に出力される安全な鍵の量は、光損失、測定の成功回数、安全性を確保する処理によって、利用可能な秘密情報がどれだけ残るかが決まるため、はるかに少なくなる。論文は、減衰が30デシベルの条件で毎秒キロビット級の出力を報告しているが、要旨では正確な速度を示していない。

30デシベルの損失と150キロの光ファイバー共用

通信路の減衰が30デシベルとは、光パワーが1,000分の1になることを意味する。つまり、示された損失の後に残るのは入力パワーの1,000分の1だ。この条件で毎秒キロビット級の安全な鍵を生成できたことは、大きな信号損失があっても動作することを示している。

別途行われた共存実証では、中国聯通が提供した既存の光通信機器を量子システムに接続した。量子鍵配送と従来型の光通信を同じ光ファイバーで150キロにわたって伝送した。これは都市間接続に関係する距離だ。

量子ネットワークが、弱い量子信号専用に光経路を確保できるとは限らないため、光ファイバーの共用は実用的な試験となる。共存によって、システムは従来型通信に使われる機器や、より強い光にさらされる。

公表された要旨と実験の説明では、ノイズ閾値、減衰下での鍵生成速度、共用光ファイバーの距離がそれぞれ示されている。一方、最大ノイズ量、減衰の基準値、150キロ伝送のすべてが、同一の動作条件で同時に実現したとは示されていない。これらを別々に報告された基準値として扱えば、成果を誇張せずに済む。

発表日と導入に関する主張の限界

この研究は、共同研究や中国聯通との実験についての後続報道に先立って、Physical Review Lettersに掲載された。発表の順序は次の通りだ。

• 2026年9月30日：論文がPhysical Review Lettersに掲載され、2.5ギガヘルツのシステム、425キロヘルツのノイズ許容度、減衰30デシベル下での安全な鍵生成が報告された。
• 2026年10月9日：参加機関と、中国聯通の機器を使った150キロの光ファイバー共用実証について、追加の報告が発表された。

小型検出器、高速動作、背景ノイズへの耐性、光ファイバー共用伝送を組み合わせたことで、複数の実用要件に同時に取り組んでいる。学術論文はこのシステムを、高い安全性、有用な鍵出力量、環境ノイズへの耐性を備えた量子セキュアネットワークの導入に向けた解決策として位置づけている。

ただし、この結論は商用サービスが日常的に運用されていることの証明よりも広い。報告された詳細には、機器コスト、連続運転時間、保守要件、ネットワーク導入の予定は含まれていない。また、衛星やドローンを使った実証も示されていない。こうした環境が研究の動機となっているが、具体的なネットワーク共存の成果は光ファイバーに関するものだ。

実用的な量子通信にとっての意味

今回の成果を結び付ける最も重要な点は、ノイズ許容度と既存インフラとの互換性に、同じ研究計画の中で取り組んだことだ。孤立した環境でしか使えない高速システムと、通常の通信機器と光ファイバーを共用できるシステムでは、解決する課題が異なる。

この研究は、動作周波数だけでは進展を十分に測れない理由も示している。実用性は、損失、不要な検出、有限データの処理を考慮した後、その速度を安全な鍵に結び付けられるかどうかで決まる。アドバンテージ蒸留は、高速なハードウェア動作を、ノイズ下での有用な出力につなげる助けとなる。

150キロの試験は、こうした進展が重要となり得る場面を具体的に示している。つまり、共用の光インフラを利用した都市間通信だ。導入準備がどこまで整ったかを評価するには、持続的な性能やコストなど、今回の結果で示されていない運用上の詳細が必要になる。導入時期や次回試験の日程は明らかにされていない。

要点

• 中国科学技術大学と共同研究機関は、アドバンテージ蒸留と小型半導体検出器を用いたMDI QKDを実証した。
• システムは2.5ギガヘルツで動作し、ノイズカウントが425キロヘルツでも安全な鍵を生成する。
• 基準としたシステムに対し、報告されたノイズ許容度は4桁、すなわち1万倍向上した。
• 論文は、通信路の減衰が30デシベルの条件で、毎秒キロビット級の安全な鍵生成速度を報告している。
• 別の実証では、中国聯通の光通信機器を用い、150キロにわたって光ファイバーを共用した。
• 今回の成果は、商用サービスの常時運用、導入日程、衛星リンクの実証を示すものではない。