DARPA量子ネットワーク
量子鍵配送ネットワーク

2004年、エンタングルメントベースの受信機Barb。

DARPA量子ネットワーク（2002～2007年）は、世界初の量子鍵配送（QKD）ネットワークであり、マサチューセッツ州ボストンとケンブリッジにまたがる10の光ノードを運用していました。[1] 2003年10月23日にBBNの研究所で全面運用を開始し、2004年6月にはケンブリッジとボストンの街路下にダークファイバーを通じて敷設され、3年以上にわたって継続的に稼働しました。[2]このプロジェクトでは、世界初の超伝導ナノワイヤ単一光子検出器も開発・運用されました。これは、 QuISTプログラムの一環としてDARPAの支援を受け、[3]ハーバード大学およびボストン大学フォトニクスセンターの同僚と緊密に協力してBBNテクノロジーズによって構築・運用されました

DARPA量子ネットワークは標準的なインターネット技術と完全に互換性があり、仮想プライベートネットワーク（VPN）の構築、 IPsecなどの認証のサポート、その他あらゆる目的にQKD由来の鍵素材を提供できました。すべての制御メカニズムとプロトコルは、Unix カーネルとフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA ）に実装されていました。QKD由来の鍵素材は、ビデオ会議などのアプリケーションで日常的に使用されていました。

DARPA量子ネットワークは段階的に構築された。[4]プロジェクト初年度（1年目）、BBNは完全なQKDシステム（アリスとボブ）を設計・構築した。これは、通信用ファイバーを通過する減衰レーザー光源（平均光子数約0.1）と、アクティブ安定化マッハツェンダ干渉計による位相変調を組み合わせたものであった。BBNはBB84をベースにした産業用QKDプロトコルのフルスイートも実装した。2年目に、BBNはIBMリサーチが作成した商用品質のInGaAs検出器を搭載したこのシステムの2つの「マーク2」バージョン（4ノード）を作成した。これら4ノードは2003年10月からBBNの研究所で継続的に稼働し、その後2004年6月にハーバード大学とボストン大学に2つ配備され、ネットワークはボストン首都圏で24時間365日、継続的に稼働し始めた。 3年目には、通信用ファイバー用に設計されたエンタングルメントベースのシステム（ボストン大学での研究から派生）と、国立標準技術研究所が設計・構築した高速大気（自由空間）リンクが追加され、ネットワークは8ノードに拡張されました。4年目には、BBNはQinetiqが作成したノードを使用して、ネットワーク全体に2つ目の自由空間リンクを追加し、改良されたQKDプロトコルと検出器を調査しました。最後に、5年目には、BBNは世界初の超伝導ナノワイヤ単一光子検出器を運用ネットワークに追加しました。[5] [6]これは、BBN、ロチェスター大学、国立標準技術研究所の研究者によるコラボレーションによって作成されたもので、最初の100MHzシステムは、通信波長で既存の単一光子検出器の20倍の速度で動作しました。[7] [8]最終学年では、BBNはマサチューセッツ工科大学の研究者と協力し、世界初の量子盗聴装置（Eve）の概念実証版を実装し、実験を行いました。[9]

完全に構築されたネットワークの10個のノードは次のようになりました。[10]すべてがBBNの量子鍵配布と量子ネットワークプロトコルを実行し、相互運用して任意対任意の鍵配布を実現しました。

  • アリス、ボブ – 5 MHz、通信ファイバーを介した減衰レーザーパルス、位相変調
  • アンナ、ボリス – 5 MHz、通信ファイバーを介した減衰レーザーパルス、位相変調
  • アレックス、バーブ – 通信ファイバーを介したエンタングルメントベースの光子、偏光変調
  • アリ、ババ – 約400MHz、大気圏で減衰したレーザーパルス、偏光変調
  • アマンダ、ブライアン – 大気中を減衰したレーザーパルス、偏光変調

DARPA量子ネットワークは、様々な量子鍵配送プロトコルを実装し、その特性を調査した。[11]これらは全て、単一の製品品質のプロトコルスタックに統合された。認証は公開鍵、共有秘密鍵、あるいはその両方の組み合わせに基づいていた。（共有秘密鍵はQKD由来の鍵で更新可能だった。）プライバシー増幅はGF[2n]ユニバーサルハッシュによって実装された。エントロピー推定はレーニエントロピーに基づいており、BBBSS 92、Slutsky、Myers/Pearson、およびShor/Preskillプロトコルによって実装された。誤り訂正は、カスケードプロトコルのBBNバリアント、または低密度パリティ検査符号（LDPC）に基づく前方誤り訂正によってシャノン限界に近い効率的なワンパス演算を提供するBBNナイアガラプロトコルによって実装された。ふるい分けは、従来の方法、ランレングス符号化、あるいはいわゆる「SARG」ふるい分けによって行われた。

また、2つの主要なQKDネットワークプロトコルも実装しました。[12]まず、鍵中継では、ネットワーク内の「信頼できる」ノードを用いて、2つのエンドポイント間で鍵蒸留のための情報を中継しました。このアプローチにより、たとえ互換性のない2つの技術で実装されていたとしても、ノード間で共有鍵情報に合意することができました。例えば、光ファイバーを介した位相変調に基づくノードは、大気を介した偏光変調に基づくノードと鍵を交換できました。実際、送信機が他の（互換性があるか互換性がないかを問わず）送信機と鍵情報を共有することさえ可能でした。さらに、生の鍵情報は、ネットワーク上の複数の「ストライプ化された」パス（例えば、分離したパス）によってルーティングされ、エンドツーエンドで再結合されるため、Eveが途中でネットワークノードの1つを制御することで得られる利点が打ち消されました。次に、QKD対応の光ルーティングプロトコルにより、ノードはネットワーク内の透過的な光スイッチを制御できるようになり、複数のQKDシステムで同じ光ネットワークインフラストラクチャを共有できるようになりました。

選定論文

  • 「量子ネットワークの構築」、チップ・エリオット、New Journal of Physics、2002年7月
  • 「量子暗号の実践」、Chip Elliott、David Pearson、Gregory Troxel、ACM SIGCOMM 2002。
  • 「干渉型 QKD リンクにおける経路長制御」、Chip Elliott、Oleksiy Pikalo、John Schlafer、Greg Troxel、Proceedings AeroSense 2003、Volume 5105、Quantum Information and Computation、2003 年。
  • 「DARPA 量子ネットワーク」、チップ・エリオット、2004 年 12 月。
  • 「DARPA 量子ネットワークの現状」、Chip Elliott、Alexander Colvin、David Pearson、Oleksiy Pikalo、John Schlafer、Henry Yeh、SPIE Defense + Commercial Sensing 2005。
  • 「理論とデバイスによるQKDネットワークの構築」（スライドプレゼンテーション）、David Pearson、
  • 「DARPA 量子ネットワーク」、C. Elliott、『量子通信および暗号化』、Alexander V. Sergienko 編、CRC Press、2005 年。
  • 「量子暗号のための最適平均光子数について」、David Pearson および Chip Elliott、『Computer Science and Quantum Computing』、James E. Stones 編、Nova Science Publishers、2007 年。
  • DARPA 量子ネットワーク テストベッド: 最終技術レポート、Chip Elliottおよび Henry Yeh、BBN Technologies、2007 年 7 月。
  • 「量子ネットワークにおけるネットワーク」、チップ・エリオット、2018 年。

参考文献

  1. ^ DARPA量子ネットワークテストベッド：最終技術報告書、チップ・エリオットとヘンリー・イェ、BBNテクノロジーズ、2007年7月。[1]
  2. ^ 「DARPA 量子ネットワーク」、チップ・エリオット、2004 年 12 月。
  3. ^ DARPA 量子鍵配布ネットワーク。
  4. ^ 最終報告書、2ページ。
  5. ^ Hadfield, Robert H.; Habif, Jonathan L.; Schlafer, John; Schwall, Robert E.; Nam, Sae Woo (2006年12月11日). 「ツイン超伝導単一光子検出器を用いた1550nmでの量子鍵配送」. Applied Physics Letters . 89 (24). AIP Publishing: 241129. doi :10.1063/1.2405870. ISSN  0003-6951.
  6. ^ Jaspan, Martin A.; Habif, Jonathan L.; Hadfield, Robert H.; Nam, Sae Woo (2006年7月17日). 「超伝導単一光子検出器による通信用光子対の到来」. Applied Physics Letters . 89 (3). AIP Publishing: 031112. doi :10.1063/1.2219411. ISSN  0003-6951.
  7. ^ 「高速超伝導単一光子検出器による量子鍵配布」、Robert H Hadfield、Jonathan L Habif、Lijun Ma、Alan Mink、Xiao Tang、Sae Woo Nam、量子エレクトロニクスおよびレーザー科学会議、2007年。
  8. ^ Habif, Jonathan L.; Pearson, David S.; Hadfield, Robert H.; Schwall, Robert E.; Nam, Sae Woo; Miller, Aaron J. (2006年10月18日).量子鍵配送テストにおける単一光子検出器の比較. 第6372巻. SPIE. p. 63720Z. doi :10.1117/12.685552.
  9. ^ Kim, Taehyun; Stork genannt Wersborg, Ingo; Wong, Fr​​anco NC; Shapiro, Jeffrey H. (2007年4月25日). 「Bennett-Brassard 1984プロトコルに対するエンタングルプローブ攻撃の完全な物理シミュレーション」. Physical Review A. 75 ( 4) 042327. American Physical Society (APS). arXiv : quant-ph/0611235v1 . doi :10.1103/physreva.75.042327. ISSN  1050-2947.
  10. ^ 「量子ネットワークにおけるネットワーク」、チップ・エリオット、2018年。
  11. ^ 最終技術報告書、第13章。
  12. ^ 最終技術報告書、第14章と第15章。
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