【原】成功实现国际空间站与地面之间的私钥共享和高保密通信 期待卫星量子密码通信的实用化

成功实现国际空间站与地面之间的私钥共享和高保密通信 期待卫星量子密码通信的实用化 2024年4月18日 国立研究开发法人信息通信研究机构 国立大学法人东京大学研究生院工学系研究科 索尼计算机科学研究所 新一代航天系统技术研究工会 skaper jsat株式会社 重点 开发从国际宇宙空间站到便携式光地面站的光通信中共享安全密钥、可进行高保密通信的系统 1次高空通过，可安全共享100万位以上的私钥 期待着能够在国家安全和外交等高保密通信中使用的卫星量子密码通信系统的社会安装 国立研究开发法人信息通信研究机构( nict nai city，理事长:德田英幸)、国立大学法人东京大学研究生院工学系研究科(研究科长:加藤泰浩)、株式会社索尼计算机科学研究所(代表董事社长:北野宏明)、 新一代宇宙系统技术研究工会(理事长:山口耕司)及skaper jsat株式会社(代表董事·执行董事社长:米仓英一)通过从低轨道上的国际宇宙空间站( ISS )向地面的移动式光地面站的光通信，在1次上空通过时共享100万比特以上的秘密密钥，与ISS共享 由于本通信验证的成功，有望与任意的地面站共享通过来自低轨道卫星的光通信实现的高速且具有高安全性的加密密钥。 如果本技术得到实用化，在原理上可以在地球上的任何地方共享安全的加密密钥，可以通过通信防止泄露，因此可以实现国家安全和外交领域不可缺少的重要信息的高保密通信。 今后，将进一步开发本技术，以面向处理机密信息的用户的卫星量子密码系统的社会实现为目标。 背景

图2此次开发的SeCRETS的飞行模型外观 近年来，量子计算机研究迅速发展，担心这一实现会导致用以往的密码技术保护的数据全部被解密。 另外，即使是现在无法解密的密码数据，一旦保存起来，将来就会受到高级计算机解密所有数据类型的攻击的可能性也越来越高。 为了将来安全地交换个人·国家级的重要机密信息，引入信息理论上的安全性的密码技术成为了紧迫的课题，这种技术不能被任何计算机解读。 为了应对这个课题，在NICT中，作为在信息理论上可以进行安全的密钥共享·隐匿通信的技术，推进了量子密钥配送·量子密码通信的开发。 目前，正在进行有助于地面光纤网中量子密码通信的进一步高速化、长距离化的研究开发(作为量子密钥配送网络，以100 km圈内为对象的地面2地点间的量子密钥配送装置、基于可信节点的量子密钥配送网络的研究开发等)。 要将量子密钥分发扩大到全球范围，需要进行长达数千公里的量子密码通信，在地面光纤网中，在通信路径中途中继的量子中继技术有待于发展。 另一方面，不需要地面中继的、使用卫星发送量子密钥的可能性也被探索，2017年在中国成功进行了卫星量子密钥发送的实验。 以此为契机，世界各国都在推进卫星量子密码技术的开发，但是共享的密钥量有限，另外需要大型的地面站等，在实际应用中还存在着课题。图1 ISS-便携式光地面站间物理层密码通信实验总体结构图 这次的成果

图3此次开发的便携式光地面站和直径35 cm望远镜的外观

图4古川宇航员将此次开发的SeCRETS (照片中央)和该装置安装在了舱外实验平台上。 将这张照片在轨道上进行一次性密码加密，发送到地面后，通过解密成功取得。 此次，以NICT为首的5个机构的研究开发小组，利用卫星-地面站间的预测通信路径的性质，推进了可以更高效地进行密钥共享的物理层密码的研究开发，并对其宇宙进行了实证。 在这次的实验(参照图1 )中，我们研究开发小组开发出了低轨道高隐匿光通信装置( secrets secrets seetlet )，并搭载在了ISS的日本实验楼希望船外实验平台上(参照图2 )。 从该SeCRETS向地面发射以10 GHz时钟调制了随机数数据(密钥数据)的信号光，通过设置在NICT总部(东京都小金井市)的移动式光地面站的直径35 cm反射型望远镜(参照图3 )接收到了信号光(另外，移动式光) )。 而且，为了使向窃听者泄露的信息量达到无限小，在ISS和地面站之间对接收到的随机数数据进行了密钥蒸馏处理，从而在一次高空通过中成功生成了100万比特以上的安全密码密钥。 另外，使用该蒸馏处理后的密码密钥对轨道上的照片数据进行一次性密码加密，通过来自ISS的电波通信发送到地面，通过解密成功获取了该照片数据(参照图4 )。 此次开发的SeCRETS，大部分由民生部件构成，但是进行了设想在低轨道卫星环境下使用的耐真空环境、耐放射线辐射的相关试验，确认了其在低轨道等恶劣环境下也能正常工作。 另外，通过将光学系统望远镜搭载在卡车上，构成便携式光地面站，并且引进了可以进行极其细微调整以接收高速调制信号的跟踪系统。 通过这些开发，提高了卫星搭载用密码装置的低成本化以及缩短开发时间的可能性，可以证实使用了高可用性的便携式光地面站的高速光通信，向卫星量子密码通信的社会安装迈出了一大步。 今后的展望 在本项目进行的实证研究中，采用了将光发送的范围限定在安全保障的接收站周边的区域的方式(物理层密码)。 今后将通过对这里得到的结果的验证，进一步开发嵌入密码装置的机器等，加速卫星搭载用的量子密钥配送装置的制作。 另外，将加快将具备适合量子密钥配送实证的电力系统和姿态控制系统的卫星总线系统的开发纳入视野的研究开发，作为实用化的立足点。 此外，还将进一步开展ISS-便携式光地面站的实验演示，实施为实现我国独特的卫星量子密码的基本数据收集。 各机构的职责分工 信息通信研究机构:密码技术及ISS搭载用密码装置的开发运用、便携式光地面站的开发运用 东京大学研究生院工学系研究科:量子密钥配送、物理层密码通信相关的安全性探讨 索尼计算机科学研究所: ISS搭载用光天线的开发运用 新一代宇宙系统技术研究工会: ISS搭载装置的集成、实证实验的协调 skaper jsat :移动式光地面站的运用、实证实验环境的整备、面向卫星量子密钥配送商业化的市场技术动向调查等 相关过去的报道发表 2023年3月16日 天空树-成功实现了地面移动电台无窃听破解威胁的加密密钥共享的光传输验证 -瞄准卫星和地面之间的量子密码的原理实证实验- https://www.nict./press/2023/03/16-1.html 本研究开发是作为总务省“ICT重点技术的研究开发项目( JPMI00316 )”中的“卫星通信中量子密码技术的研究开发( JPJ007462 )”的一环而实施的。 (参考)总务省报道发表 2018年6月14日 平成30年度信息通信技术研究开发相关提案的公开募集结果 http://www.soumu./menu _ news/s-news/01 tsushin 03 _ 02000247.html 用语解说 国际空间站 国际空间站( International Space Station，ISS )由美国航天局( NASA )、俄罗斯洛斯波斯菊(俄罗斯)、日本航天局( JAXA )、欧洲航天局( ESA )、加拿大航天局( CSA ) 5个航天器组成 日本运用实验楼，准备了具备机械臂、电源供给端口等的船外实验模块。 转到原报道 量子密钥配送 量子密钥分发( Quantum Key Distribution，QKD )是一种使用量子力学来共享随机加密密钥的技术，东芝正在进行产品化。 (参考) https://www.global.Toshiba/jp/products-solutions/security-ICT/QKD.html 转到原报道 量子密码 量子加密是指使用光子进行加密密钥共享的量子密钥分发( QKD )装置，以及使用该加密密钥，通过一键通( OTP )方式进行信息的加密解密的加密技术。 可以实现包括量子计算机在内的所有计算机在原理上无法解读的极其安全的通信(参照图5 )。

图5量子密码模式图 在下部的QKD层进行加密密钥共享，使用该加密密钥，在上部的APP应用层进行加密通信。 转到原报道 物理层密码 物理层密码是利用窄带激光视距通信的光空间通信的特点，通过确保接收站周边有限区域的安全性，可以安全地向任何有计算能力的窃听者发送信息的技术。 转到原报道 低轨道高隐匿光通信装置 低轨道高隐匿光通信装置( secure laser communication s terminal for Leo，SeCRETS )由信号生成器( Signal Generator，SG )、内部电源控制用板载计算机( on board compompon )等构成 由OBC )和光天线( Quantum-Small Optical Link，QSOL )构成，对在SG内生成的随机数数据进行信号化并从QSOL向地面站发射光信号的装置( SG中也搭载了密钥蒸馏处理软件)。 转到原报道密钥蒸馏处理 密钥蒸馏处理包括纠正发送端和接收端共享的密钥数据的错误的功能，以及消除泄露给窃听者的信息量的保密性增强处理。 转到原报道 一次性密码 一次性填充( One Time Pad，OTP )密码是将与加密对象数据相同长度的随机数作为加密密钥进行加密，并且使使用过的随机数不再使用的加密方式。 转到原报道 关于这件事的咨询方式 国立研究开发法人信息通信研究机构 量子ICT协创中心 藤原干生 e-mail:fujiwara at mark nict. 国立大学法人东京大学工学系研究科 光量子科学研究中心 小芦雅斗 Tel: [phone] E-mail: koashi阿特标记qi.t.u-tokyo.ac.jp 索尼计算机科学研究所 宣传窗口 e-mail:csl-pr at mark csl.Sony.co.jp 新一代航天系统技术研究工会 森田皓子 Tel: [phone] e-mail:morita.Koko at mark ne stra.jp 宣传(接受采访) 国立研究开发法人信息通信研究机构 公关部新闻办公室 e-mail:publicity at mark nict. 国立大学法人东京大学研究生院工学系研究科 宣传室 Tel: [phone] e-mail:kou Hou at mark pr.t.u-Tokyo.AC.jp 索尼计算机科学研究所 宣传窗口 e-mail:csl-pr at mark csl.Sony.co.jp 新一代航天系统技术研究工会 森田皓子 Tel: [phone] e-mail:morita.Koko at mark ne stra.jp skaper jsat株式会社 广告IR部 e-mail:pr at mark sptvjsat.com