国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT(エヌアイシーティー)、理事長: 徳田 英幸）、国立大学法人東京大学大学院工学系研究科（研究科長: 加藤 泰浩）、株式会社ソニーコンピュータサイエンス研究所（代表取締役社長: 北野 宏明）、次世代宇宙システム技術研究組合（理事長: 山口 耕司）及びスカパーＪＳＡＴ株式会社（代表取締役 執行役員社長: 米倉 英一）は、低軌道上の国際宇宙ステーション*1（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ました。
本通信実証の成功により、低軌道衛星からの光通信による高速かつ高い安全性を持つ暗号鍵を任意の地上局と共有する技術的な見通しが立ちました。
本技術が実用化されれば、原理的に地球上のどこでも安全な暗号鍵の共有ができ、通信で漏えいを防ぐことができるため、国家安全保障や外交の分野において不可欠な重要情報の高秘匿通信が可能になります。今後、本技術の開発を更に進め、機密情報を扱うユーザ向けの衛星量子暗号システムの社会実装を目指します。

【背景】

近年、量子コンピュータ研究が急速に進展し、この実現により従来の暗号技術で守られていたデータが全て解読されてしまう事態が懸念されます。また、今は解読できない暗号データでも、一旦保存しておいて将来高度なコンピュータで全データを解読するタイプの攻撃がされるおそれは現に高まっています。個人・国家レベルの重要な機密情報を将来にわたって安全にやり取りするためには、いかなる計算機によっても解読が不可能な、情報理論的安全性を有する暗号技術の導入が喫緊の課題となっています。

図1 IISS-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

【今回の成果】

【今後の展望】

本プロジェクトで行った実証研究では、光送信を行う範囲をセキュリティの確保された受信局周辺の区域に限る方式（物理レイヤ暗号）を用いて行いました。今後はここで得られた結果の検証を進めることで、暗号装置に組み込む機器等の開発を更に進め、衛星搭載用の量子鍵配送装置の製作を加速させます。
また、量子鍵配送実証に好適な電力系や姿勢制御系を備えた衛星バスシステムの開発を視野に入れた研究・開発を加速させ、実用化への足掛かりとします。
さらに、ISS-可搬型光地上局での実験デモを更に進め、我が国独自の衛星量子暗号を実現するための基本データ収集を実施する予定です。

＜用語解説＞

^＊1 国際宇宙ステーション

国際宇宙ステーション（International Space Station, ISS）は、NASA（米国）、ロスコスモス（ロシア）、JAXA（日本）、ESA（ヨーロッパ）、CSA（カナダ）の5つの宇宙機関が参加する多国籍共同プロジェクトによる低軌道にあるモジュール式の宇宙ステーション（居住可能な人工衛星）。
日本は実験棟（きぼう）を運用しており、ロボットアーム、電源供給ポートなどを備えた船外実験モジュールが用意されている。

^＊2 量子鍵配送

量子鍵配送（Quantum Key Distribution, QKD）は、通信を行う二者間でのセキュア通信を保証するために、量子力学を用いてランダムな暗号鍵を共有する手法であり、現在、東芝が製品化を行っている。
（参考）https://www.global.toshiba/jp/products-solutions/security-ict/qkd.html

^＊3 量子暗号

量子暗号は、光子を使って暗号鍵共有を行う量子鍵配送（QKD）装置、及びその暗号鍵を使い、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。量子コンピュータを含むあらゆる計算機で原理的に解読できない極めて安全な通信を実現できる（図5参照）。

図5 量子暗号模式図
下部のQKDレイヤで暗号鍵共有を行い、その暗号鍵を使い、上部のアプリケーションレイヤで暗号通信を行う。

^＊4 物理レイヤ暗号

物理レイヤ暗号は、狭い広がりのレーザによる見通し通信であるという光空間通信の特長を活用し、受信局の周辺の限られた領域のセキュリティを確保することで、いかなる計算能力を持つ盗聴者に対しても安全に情報を送ることができる技術。

^＊5 低軌道高秘匿光通信装置

低軌道高秘匿光通信装置（SeCuRe lasEr communicaTionS terminal for LEO, SeCRETS）は、信号生成器（Signal Generator, SG）、内部電源制御用オンボードコンピュータ（On Board Computer, OBC）及び光アンテナ（Quantum-Small Optical Link, QSOL）によって構成され、SG内で生成した乱数データを信号化しQSOLから光信号を地上局に向けて射出する装置（SGには鍵蒸留処理ソフトウェアも搭載）。

^＊6 鍵蒸留処理

鍵蒸留処理は、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及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。

^＊7 ワンタイムパッド暗号

ワンタイムパッド（One Time Pad, OTP）暗号とは、暗号化対象のデータと同じ長さの乱数を暗号鍵として暗号化し、さらに、一度使用した乱数は二度と使わないようにする暗号方式。

＜各機関の役割分担＞

＜関連する過去の報道発表＞

本研究開発は、総務省「ICT重点技術の研究開発プロジェクト（JPMI00316）」のうち「衛星通信における量子暗号技術の研究開発（JPJ007462）」の一環として実施されました。

（参考）総務省報道発表

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