DARPA 量子ネットワーク

DARPA Quantum Network (2002–2007) 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で 10 個の光ノードを運用していました。^[1] 2003 年 10 月 23 日に BBN の研究所で完全に運用され、2004 年 6 月にケンブリッジとボストンの街路の下にダークファイバーを通じて配備され、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作成され、配備されました。これはQuISTプログラムの一環としてDARPAがスポンサーとなり、^[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 Technologiesが構築および運用しました。

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 ネットワークを作成したり、 IPsecやその他の認証をサポートしたり、その他の目的に使用したりするために、QKD から派生したキー マテリアルを提供できます。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 アレイに実装されています。QKD から派生したキー マテリアルは、ビデオ会議やその他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]プロジェクトの最初の年（1年目）、BBNは完全なQKDシステム（アリスとボブ）を設計し構築した。これは、通信用ファイバーを介して実行される減衰レーザー源（平均光子数約0.1）と、アクティブに安定化されたマッハツェンダー干渉計を介して位相変調されたものである。BBNは、 BB84に基づく産業用QKDプロトコルの完全なスイートも実装した。2年目に、BBNはIBMリサーチによって作成された商用品質のInGaAs検出器を使用して、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つのノードは、2003年10月からBBNの研究所で継続的に実行され、その後2004年6月にハーバード大学とボストン大学に2つが配備され、ネットワークはボストン都市圏全体で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、米国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、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、米国国立標準技術研究所の研究者の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、世界初の量子盗聴器（Eve）の概念実証バージョンを実装し、実験しました。^[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 – 通信ファイバーを通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、大気中を減衰するレーザーパルス、偏光変調
• アマンダ、ブライアン – 大気圏を透過する減衰レーザーパルス、偏光変調

DARPA Quantum Network は、さまざまな量子鍵配布プロトコルを実装し、その特性を調査しました。^[11]すべてが単一の製品品質のプロトコル スタックに統合されました。認証は、公開鍵、共有秘密鍵、またはその 2 つの組み合わせに基づいていました。(共有秘密鍵は、QKD から派生した鍵で更新できます。) プライバシー増幅は、GF[2n] Universal Hashによって実装されました。エントロピー推定はRényi 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ました。エラー訂正は、Cascade プロトコルの BBN バリアント、または低密度パリティチェック コード(LDPC)に基づく前方エラー訂正を介して、シャノン限界に近い効率的なワンパス操作を提供する BBN Niagara プロトコルによって実装されました。ふるい分けは、従来の方法、ランレングス符号化、またはいわゆる「SARG」ふるい分けによって実行されました。

また、QKD ネットワーク プロトコルの 2 つの主要な形式も実装しました。^[12]まず、キー リレーでは、ネットワーク内の「信頼できる」ノードを使用して、2 つのエンドポイント間でキー蒸留用のマテリアルをリレーしました。このアプローチにより、ノードは、互換性のない 2 つのテクノロジを使用して実装されていても、共有キー マテリアルに同意できるようになりました。たとえば、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キーを交換できます。実際、送信機が他の (互換性があるか互換性がない) 送信機とキー マテリアルを共有することさえできました。さらに、生のキー マテリアルは、ネットワーク内の複数の「ストライプ」パス (たとえば、分離パス) 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、途中でネットワーク ノードの 1 つを制御することで Eve が得る利点がなくなります。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 システムが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。

• 「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。
• 「理論とデバイスからQKDネットワークを構築する」（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。