[論文レビュー] The DARPA Quantum Network

Chip Elliott|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 6被引用数 49

ひとこと要約

DARPA量子ネットワークは、マサチューセッツ州ケンブリッジで展開された世界初の運用型量子鍵配送（QKD）ネットワークであり、暗線ファイバーと光スイッチを介して接続された6つのQKDノードを備え、24時間365日継続的な量子暗号を実現する。これは、相互運用性を持つ弱コherent QKDシステムと高速自由空間QKDを統合し、持続的な運用が可能なメトロポリタン圏QKDの初の実装である。

ABSTRACT

To a surprising extent, however, these limitations can be mitigated or even completely removed by building QKD networks instead of the traditional stand-alone QKD links. Accordingly, a team of participants from BBN Technologies, Boston University, and Harvard University has recently built and begun to operate the world’s first quantum key distribution network under Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) sponsorship.∗The DARPA Quantum Network became fully operational on October 23, 2003, in BBN’s laboratories, and in June 2004 it was fielded through dark fiber underneath the streets of Cambridge, Massachusetts, to link our campuses with nonstop quantum cryptography, 24 hours per day. It is the world’s first quantum cryptography network and indeed probably the first metro-area QKD deployment in continuous operation. As of December 2004, it consists of six QKD nodes. Four are used in BBN-built, interoperable weak-coherent QKD systems running at a 5-MHz pulse rate through telecommunications fiber and inter-connected via a photonic switch. Two are electronics built by the National Institute of Standards and Technology (NIST) for a high-speed free-space QKD system. All run BBN’s full suite of production-quality QKD protocols. In the near future, we plan to add four more quantum cryptographic nodes based on a variety of physical phenomena and start testing the resulting network against sophisticated attacks.

研究の動機と目的

• スタンドアロンのQKDリンクの制限を克服するため、ネットワーク型量子暗号化インfraを展開すること。
• 実際の都市環境におけるマルチノードで運用可能なQKDネットワークの実現可能性を実証すること。
• ファイバーと自由空間QKD技術の両方を用いて、継続的かつ信頼性の高い量子鍵配送を実現すること。
• 洗練されたサイバー攻撃に対してQKDネットワークを評価するためのテストベッドを構築すること。
• 異なる物理的実装を持つQKDノードを統合し、1つの相互運用性のあるネットワークフレームワークに統合すること。

提案手法

• BBN社の弱コherent QKDシステムを用いた4つのQKDノードを展開。通信波長帯のファイバーを介し、5 MHzのパルスレートで動作。
• 光スイッチを介してファイバー接続のノードを接続し、量子チャネルの動的ルーティングを可能にした。
• NISTが開発した高速自由空間QKDシステム2つを導入し、視線内での量子鍵交換を実現。
• すべてのノードにBBN社の生産品質のQKDプロトコルスイートを適用し、相互運用性を確保。
• ケンブリッジの地下に敷設された暗線ファイバーインfraを活用し、安定的かつ低損失の伝送媒体を提供。
• 2003年10月23日から24時間365日継続運用を開始。2004年6月に現地展開を完了。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のファイバーインfraを用いて、メトロポリタン都市環境にマルチノードQKDネットワークを信頼性高く展開・運用できるか？
• RQ2 異なるハードウェアプラットフォーム上で、相互運用性のあるQKDプロトコルをどのように効果的に実装できるか？
• RQ3 長期にわたり継続運用されるQKDネットワークの性能および安定性特性は何か？
• RQ4 ネットワーク型QKDアーキテクチャは、ポイントツーポイントQKDシステムの限界をどのように緩和できるか？
• RQ5 統合されたネットワークにおいて、自由空間QKDとファイバー基盤QKDを統合する際の実用的課題は何か？

主な発見

• DARPA量子ネットワークは2003年10月23日に完全に運用を開始し、QKDネットワークとして初の24時間365日継続運用を達成した。
• 2004年6月に暗線ファイバーを用いた現地展開が完了し、世界で最初の持続的運用型メトロポリタン圏QKD展開を実現した。
• 2004年12月時点で、4つのファイバー基盤ノードと2つの自由空間QKDシステムを含む6つの運用中QKDノードが存在した。
• BBN社の弱コherent QKDシステムとNIST社の高速自由空間QKDシステムとの間で、正常な相互運用性が実証された。
• 光スイッチと暗線ファイバーを基盤とするネットワークアーキテクチャにより、複数ノードにわたり信頼性の高い継続的量子鍵配送が可能となった。
• 本プロジェクトは、多様な物理現象に基づく4つの追加量子暗号ノードを計画する基盤を築いた。