本文根據玉川大學成果發布編譯整理而成
玉川大學量子資訊科學研究所的谷澤健副教授和二見史生教授利用該研究所研究的相調變式Y-00光通信量子密碼（以下簡稱Y-00密碼）證明，可以實現10,000km以上的安全光纖通信。這種通信方法利用量子噪音的真正隨機性對信號進行加密，因此可以防止光纖竊聽。利用此次的成果，橫跨太平洋的海底光纜也有望實現加密的安全通信系統。
Y-00密碼是一種通過密鑰生成多值燈火信號，在接收信號時利用不可避免的量子噪音的真正不確定性來防止光纖竊聽的技術。此前已利用調變光強度的方式證明最長可實現1,000km的光纖傳輸距離。
此次通過採用調變光相的Y-00加密方式接收相干光，成功實現了遠遠超過此前的傳輸距離的10,118km加密光纖通信。通過採用玉川大學自主開發的技術——粗密光相隨機化方法，還同時實現了高安全性。
圖1是採用有望通過此次的成果實現的Y-00密碼的安全海底光纜通信示意圖。海底光纜的燈火信號每隔50～60km左右被光放大器放大一次，例如日美之間的總距離約為10,000km。此次在實驗室裏構築了模擬海底光纜的實驗系統，成功實施了以每秒40Gbit（可以在1秒内傳輸1張DVD内容的通信速度）的速度對每隔約50km進行一次光放大的全長度為10,118km的光纖進行加密通信的實驗。如圖所示，即使竊聽者攔截了光纖中的信號，也會因量子噪音的影響而發生接收錯誤。因此，可實現難以分析其内容並破譯正確資訊的安全通信。
圖1：有望通過此次研究成果實現的加密海底光纜通信示意圖
圖2是利用相調變式Y-00密碼實施10,000km以上的遠程通信實驗的構成。將數據和密鑰輸入Y-00密碼生成部，轉換成多值信號，並調變波長為1550nm的雷射相，生成Y-00密碼。利用IQ調變器調變數據後，通過粗密光相隨機化方法進行加密。
圖2：Y-00密碼的遠程通信實驗的構成
粗密光相隨機化方法通過起伏同步驅動兩個相調變器，可以實現超過單體電數字-模擬轉換解析度的超多值光相隨機化。加密後的燈火信號達到218值相水平。進行偏振多工後的數據速率為40Gbit/s，長距離光纖傳輸利用光路傳輸系統進行。接收端進行了採用自由振盪的雷射作為局部光的内差式（Intradyne）相干接收。數字化後通過整合了密碼解密的數字信號處理對數據進行解調。
圖3是把到光纖鏈路的燈火信號輸入功率設為-7dBm，改變傳輸距離時的接收Q值。紅線是Y-00密碼，藍線是參考的非加密信號。在10,118km的傳輸距離中，Q值超過了軟決策糾錯碼閾值，保證了適當的信號品質。從接收信號的星座圖中可以確認，通過密碼解密恢復了QPSK數據調變。在通過粗密光相隨機化方法實現的218值相級Y-00密碼中，量子噪音覆蓋了相鄰的約230個信號。由此，竊聽者嘗試接收密碼時的誤碼率非常高，達到0.9965以上，實現了非常高的防竊聽安全性。
圖3：接收Q值與傳輸距離的關係及傳輸10,118km後的星座圖
論文資訊
題目：Security-Enhanced 10,118-km Single-Channel 40-Gbit/s Transmission Using PSK Y-00 Quantum Stream Cipher
學會：46th European Conference on Optical Communications (ECOC 2020)
日語發布資料
編譯：JST客觀日本編輯部
