NICTなどがISS・地上間での秘密鍵共有と高秘匿通信に成功、実用化へ前進

情報通信研究機構(NICT)、東京大学(東大)、ソニーコンピュータサイエンス研究所(ソニーCSL)、次世代宇宙システム技術研究組合(NESTRA)、スカパーJSATの5者は4月18日、低軌道上の国際宇宙ステーション(ISS)から地上の可搬型光地上局への光通信により、1回の上空通過で100万ビット以上の秘密鍵を共有し、ISSと地上局とでの情報理論的に安全な通信の実証に成功したことを共同で発表した。

同成果は、NICT 量子ICT協創センターの藤原幹生上席研究員、東大大学院工学系研究科附属光量子科学研究センターの小芦雅斗教授、NESTRAの森田皓子氏、ソニーCSL、スカパーJSATらの共同研究チームによるもの。

ISS～可搬型光地上局間の物理レイヤ暗号通信実験の全体構成図 (出所:東大プレスリリースPDF)

量子コンピュータがこのまま性能向上を続けると、現在の暗号技術は解読されてしまう危険性が高まる。そのため、世界的な喫緊の課題として、現在、いかなる方式のコンピュータがどれだけ高性能化しても解読不可能な暗号技術の開発が進められている。

NICTが、情報理論的に安全な鍵共有・秘匿通信を可能とする技術として開発しているのが、量子鍵配送(QKD)・量子暗号通信。QKDとは、通信を行う二者間でのセキュア通信を保証するため、量子力学を用いてランダムな暗号鍵を共有する手法だ。そして量子暗号とは、光子を使って暗号鍵共有を行うQKD装置と、その暗号鍵を使い、ワンタイムパッド(OTP)方式により、情報の暗号化・復号を行う暗号技術のことで、どのようなコンピュータでも原理的に解読は不能である。

現在、地上光ファイバー網における量子暗号通信のさらなる高速化・長距離化のための研究開発が進められているが、量子鍵配送をグローバル規模に拡大するには、数千kmにわたる量子暗号通信を行う必要があった。しかし、地上の光ファイバー網では、通信路の途中で中継する量子中継技術の発展を待たねばならない状況だったとする。

それに対し、地上での中継が不要な、衛星を用いた量子鍵配送の可能性も模索され、2017年には中国で衛星量子鍵配送の実験が成功している。これを機に世界各国で衛星量子暗号技術の開発が進められたが、共有される鍵の量が限られ、また大型の地上局が必要など、その実用には課題が残っていたという。そこで今回の実験では、低軌道高秘匿光通信装置「SeCRETS(シークレッツ)」を開発してISSの日本実験棟きぼう船外実験プラットフォームに搭載し、地上との間で実験を行うことにしたとする。

今回開発されたSeCRETSのフライトモデル外観 (出所:ソニーCSL Webサイト)

実験では、SeCRETSから10GHzクロックで乱数データ(鍵データ)を変調した信号光が地上に向けて発射され、東京都小金井市のNICT本部に設置された可搬型(車載)光地上局の直径35cm反射型望遠鏡で信号光を受信することに成功したとする。

今回開発された可搬型光地上局と直径35cm望遠鏡の外観 (出所:東大プレスリリースPDF)

そして、信号の盗聴者への情報漏えい量を無限小とするため、この受信した乱数データをISSと地上局の間で「鍵蒸留処理」をすることで、1回の上空通過で100万ビット以上の安全な暗号鍵の生成に成功したという。なお鍵蒸留処理とは、送信側と受信側で共有した鍵データの誤りを訂正する機能、および盗聴者に漏れた情報量を除去する秘匿性増強処理を合わせたプロセスのことである。

さらに、この蒸留処理した暗号鍵を用いて、軌道上にある画像データをOTP暗号化してISSからの電波による通信を通じて地上に送信し、復号することでこの画像データを取得することにも成功したとする。

今回開発されたSeCRETSは、そのほとんどの部分が民生部品で構成されているが、過酷な低軌道での利用を想定した耐真空環境、耐放射線被曝に関する試験も実施済みで、問題なく動作することも確認されている。また、光学系望遠鏡をトラックに搭載することで可搬型の光地上局が構成され、なおかつ、高速変調した信号の受信のための極めて微細な調整が可能な追尾システムも導入済みだという。