　東芝は2021年10月22日、量子暗号通信システムの主要構成機能である量子暗号鍵の「送信」「受信」とそのための「乱数発生」について、従来の光学部品による実装に替えて光集積回路化した「量子送信チップ」「量子受信チップ」「量子乱数発生チップ」を開発し、これらを実装した「チップベース量子暗号通信システム」の実証に成功したと発表した。量子暗号通信を光集積回路ベースで実装したのは「世界初」（同社）だという。今回の半導体チップ化により、プラントのIoT（モノのインターネット）機器によるモニタリングや工場間での設計・製造データの共有における産業情報の秘匿化といった領域まで量子暗号通信の適用範囲を拡大できるようになるという。今後は2024年の実用化に向けて研究開発を進める方針だ。

試作した光集積回路と「チップベース量子暗号通信システム」。上段左から「量子送信チップ」「量子受信チップ」「量子乱数発生チップ」。下段がチップベース量子暗号通信システム［クリックで拡大］出所：東芝

　膨大な計算処理能力を持つ量子コンピュータ時代におけるセキュリティの脅威に備えた新たな安全対策として期待されているのが量子暗号通信だ。その関連市場は2035年度に約200億米ドル（約2.1兆円）と見込まれている。東芝も開発に注力しており、2020年10月からは他社に先駆けて事業化を進めており、「CEATEC Award 2021」のソリューション部門賞で準グランプリを獲得するなどしている。

　ただし、現在製品化している量子暗号通信システムは、レーザーやビームスプリッタといった光学部品で実装した複雑な光回路で構成しており、主に大規模なシステム構築が必要な金融分野や医療分野向けでの利用が想定されている。現時点で限定的な適用範囲を、社会インフラやプラントのIoT機器によるモニタリング、工場間での設計・製造データの共有における産業情報の秘匿化などの領域まで拡大するには、システムの小型化、軽量化、低消費電力化が不可欠だった。

標準的な半導体製造技術で量産できる

　今回の半導体チップ化はこれらの課題の解決につなげる開発成果となる。具体的には、東芝欧州社ケンブリッジ研究所が、量子暗号通信システムの主要な機能のチップ化と、これらを用いてリアルタイムの暗号化通信を可能とする世界初の「チップベース量子暗号通信システム」を開発し、実証に成功した。

東芝欧州社ケンブリッジ研究所における開発の様子［クリックで拡大］出所：東芝

　量子暗号通信は、微弱な光信号の位相で表現された量子ビットによって配送される暗号鍵を用い、データを暗号化して通信する。今般開発したシステムでは、これらの量子ビットを送信する「量子送信器」、受け取る「量子受信器」および暗号鍵を用意するために必要な一様性の高い乱数を発生する「量子乱数発生器」をチップ化した。試作したチップの大きさは、量子送信チップが2x6mm、量子受信チップが8x8mm、量子乱数発生チップが2x6mmと小型であり、1枚のウエハー上に数百のチップを作り込む標準的な半導体製造技術を用いて量産することが可能だ。

チップベース量子暗号通信システムの概要［クリックで拡大］出所：東芝

　これらの3つの半導体チップで構成するチップベース量子暗号通信システムにより、長さ50kmの光ファイバーを用いた長距離の暗号鍵配送の実証を行うとともに、生成した暗号鍵を市販の100Gb/sの暗号化機器に配送することで、データを暗号化し、リアルタイムに暗号通信を行うことにも成功した。また、都市内通信を想定した長さ10kmの光ファイバーを用いた実験では、暗号鍵の生成速度は5.5日間の連続動作の平均値で470kbpsに達しており、これはビデオ通話での活用が可能なレベルだという。

　試作したシステムは、標準的な通信インフラに実装できる、1Uサイズのラックマウントモジュールに収まる大きさに実装できている。東芝が現在製品化している量子暗号通信システムの外形寸法が標準19インチラックマウントで3Uサイズとなっているので、光集積回路化した半導体チップの開発により3分の1の小型化を実現できていることになる。また、軽量化、低消費電力化も実現できているという。

　なお、開発成果の詳細は、2021年10月21日発行の「Nature Photonics」に掲載された。また、開発成果の一部は、英国政府のIndustrial Strategy Challenge Fundを通じて、InnovateUK 共同研究開発プロジェクト「AQuaSeC（Agile Quantum Safe Communications）」の支援を受けているという。AQuaSeCでは、東芝欧州社が15機関を取りまとめ、光集積回路による量子暗号通信システムを試作・検証し、ユーザーにその利点を示すための活動を進めている。

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