最先端の物理学
量子暗号
BB84量子鍵配送の原理を模擬します。ランダムな基底で用意した光子を送り、盗聴の途中測定が起こす誤りで盗聴を検出します。盗聴がもたらす約25%の誤り率を観察します。
器具
- Alice–Bob量子チャネルの対話モデル（図1）
- 「パラメータ」（鍵サンプル数）と「ノイズ」（盗聴・チャネル雑音）のスライダー
- 「時間実行」チェックボックス付き時間発展グラフ（図2）
手順
ノイズなしの鍵配送
「ノイズ」を0にし「時間実行」をオンにして、Aliceが送りBobが測るビット列を追います。基底が一致したビットだけ残り、標本は完全に一致してクリーンな鍵に。約半分のビットが基底不一致で捨てられるのがBB84の特徴です。
盗聴を入れる
「ノイズ」を上げ、Eveが途中で光子を傍受・再測定する状況を模します。Eveは基底を知らないため半分は誤基底で測り状態を乱し、Bobが測ると残ったビットの約25%が誤ります。盗聴者の指紋です。
量子ビット誤り率(QBER)を測る
図2で公開比較した鍵部分の誤り率を時間ごとに読みます。クリーンなら約0%、完全傍受なら約25%。QBERが閾値（実用上約11%）を超えればAlice–Bobは鍵を破棄します。安全性は計算困難性ではなく測定が状態を乱す原理に由来します。
安全性と実用上の限界
「ノイズ」を徐々に上げ、系が侵入を「検出」する閾値を探します。誤りが警報水準を超える点です。実チャネルには数%の自然雑音があるため、プロトコルはふるい分け・誤り訂正・秘匿増幅が必要で、チャネル雑音と能動的盗聴を区別しなければなりません。
シミュレーション
実験の歴史
1984年、チャールズ・ベネット（IBM）とジル・ブラッサール（モントリオール）が後にBB84と呼ばれるプロトコルを提案しました。鍵ビットは二組の偏光基底（直交/斜め）の一つで用意した光子で送られます。誤った基底での測定は状態を破壊するため、盗聴者は誤りを残さず読めません。安全性は計算仮定ではなく物理定理に基づきます。
最初の実証は1989–91年にIBMで32 cmの空気中を通すものでした。アルトゥル・エケルトは独立に量子もつれによる鍵配送を提案（E91, 1991年）し、アスペとザイリンガーのベル検証（2015年）の後、Micius衛星による衛星鍵配送（2017年）や商用量子ネットワークが実現しました。量子暗号は実験室を出た最初の量子技術です。