2015年4月15日

定説を覆し、長距離量子通信に必要な「量子中継」の全光化手法を確立
～全光ネットワークに「量子インターネット」としての新たな未来像～

日本電信電話株式会社（NTT、本社：東京都千代田区、代表取締役社長：鵜浦博夫）とトロント大学（カナダ、オンタリオ州トロント、総長：Meric Gertler）の研究チームは、長距離量子通信に必要な「量子中継」に、「物質量子メモリ」^※1が必須であるという定説を覆し、光の送受信装置のみで実現可能な「全光量子中継方式」を理論的に提唱しました。これにより、全く新しい「光デバイスのみによる長距離量子通信」への道が切り拓かれました。

量子通信の長距離化は、量子通信の市場創造や拡大に繋がるだけでなく、究極的にセキュアなネットワークによる安心安全な社会の実現へと繋がる可能性があります。本研究は、このような地球規模での量子通信ネットワーク、すなわち「量子インターネット」を全光ネットワークの未来像に据える発見です。

本成果は、2015年4月15日（英国時間）に英国科学誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」から公開されます。

なお、本研究の一部は、NICT受託研究「セキュアフォトニックネットワーク技術の研究開発」の助成を受けて行われました。

研究の背景

量子通信は、原子や光子^※2などに象徴されるミクロな系（量子系）を巧みに扱う事で、「量子暗号」^※3や「量子テレポーテーション」^※4など、従来の通信技術では実現できない全く新しい通信を可能にする手段です。量子通信には様々な応用がありますが、なかでも、物理法則によって高いセキュリティを保証する量子暗号は、群を抜いて研究が進んでいます。実際、量子暗号は100km程度の距離であれば、既に海外では製品化されており、日本でも「東京QKDネットワーク」^※5に象徴されるように試験運用の段階にあります。このような従来の量子通信は光の送受信装置のみで構成されてきましたが、ファイバ中の光損失に抗して、量子通信をより長距離化［すなわち市内規模（～100km）から国家間（～1000km）あるいは大陸間（～10000km）に］するには「量子中継」が必要であり、これには光の送受信装置に加えて「物質量子メモリ」が必須とされてきました。そのため、世界各地の研究グループで、物質量子メモリの原理検証実験が盛んに行われています。しかしながら、実際には物質量子メモリに対する要求は高く、物質量子メモリに基づく限り、今後の更なる実験的躍進なしには、量子中継は量子コンピュータよりも難しい可能性すら存在しました。

研究の成果

NTTとトロント大学の研究チームは、従来の「量子中継に物質量子メモリが必須」という定説を覆し、物質量子メモリを一切使わず、光の送受信装置のみで実現可能な「全光量子中継方式」を理論的に提唱しました。本方式は、全く新しい「光デバイスのみによる長距離量子通信」への道を切り拓いただけでなく、現在の光通信ネットワークの究極的な未来像に「量子通信ネットワーク」を据えるものです。さらに、全光量子中継方式は物質量子メモリを利用する従来方式にはない以下のような利点を持ち、地球規模での量子通信ネットワーク、すなわち「量子インターネット」の可能性を大きく広げたと言えます。

全光量子中継方式の比類なき利点

限界なき量子通信速度： 従来方式は物質量子メモリの「メモリ機能」を利用するため、方式の動作中に「待ち時間」があり、そのため量子通信速度が制限されていました。しかしながら、物質量子メモリを利用しない全光量子中継はそのような制限を一切持ちません。そのため全光量子中継は、通信距離に依らず、光デバイスの動作速度と同程度という極めて高速な量子通信速度が提供できます。
物質と光のインターフェースが不要： 従来方式では物質量子メモリと、通信用の光子を結ぶために、原理検証段階にある「量子情報インターフェース」を必要としていました。全光量子中継は通信用の光子だけで実現可能であるため、これも一切必要としません。
全ての要素技術は原理検証済み： 全光量子中継に必要となる光デバイスは、線形光学素子^※6、単一光子源^※7、光子検出器^※8、アクティブフィードフォワード技術^※9ですが、これらの要素技術に対する原理検証は既に行われており、現状では物質量子メモリ研究よりも進展しています。
常温動作： 物質量子メモリを利用する場合には通常、雑音を抑える目的で物質量子メモリを極低温下におくことが要求されますが、全光量子中継は光デバイスのみに基づくため、原理的には常温で動作します。
量子コンピュータへの確実なマイルストーン： 従来方式とは異なり、全光量子中継は（全光）量子コンピュータに比べ、格段に容易な技術である事が理論的に保障されています。これは、全光量子中継に基づく長距離量子通信が量子コンピュータよりも早期に実現することを意味しているだけなく、全光量子中継に必要となる光デバイスの発展の先に全光量子コンピュータが存在することを意味します。従って、全光量子中継は量子コンピュータへの確実なマイルストーンでもあります。
量子情報処理における光子の「統一言語」としての側面の発見： 既存の全光量子コンピュータに加え、今回の全光量子中継により、長距離量子通信までもが光子のみで実現可能であることが証明されました。これは、任意の量子情報処理が「光子」を統一的な言語として書き下せることを保障しており、これまで「通信」と「計算」とで個別に議論されてきた量子情報処理を統一的に理解することを可能にします。

今後の展開

量子中継は、量子通信の長距離化に必須な技術であり、その実現は量子通信の市場創造や拡大に繋がるだけでなく、究極的にセキュアなネットワークによる安心安全な社会の実現へと繋がる可能性があります。また、今回の全光量子中継は、従来の通信分野において「通信の低消費電力化」と「通信速度の高速化」に動機づけられ、光デバイスのみに基づく「全光ネットワーク」の実現を目指す光通信デバイス研究に、「量子インターネット」という質的に新しい光通信ネットワークの究極的な将来像を付与するものです。現状として、全光量子中継は理論の枠組みの中で産声を上げたに過ぎません。しかしながら今回の発見は、線形光学素子、単一光子源、光子検出器、アクティブフィードフォワード技術に関する光デバイス研究のなお一層の進展によって、やがて全光量子中継の実現に繋がり、最終的には量子インターネットの実現に繋がっていくという、長い道のりかもしれませんが、魅力的で夢のある展開を予感させてくれます。

技術のポイント

従来理論が物質量子メモリを必須としたのに対し、それを必要としない全光量子中継には、当然のことながら、概念的飛躍が存在します。それは「時間反転」と呼ぶべきアイデアです。

量子中継は、送受信者間の中継器を利用し、量子通信のリソースである「量子もつれ」^※10を送受信者に、効率的に提供する事が目標です（図1）。そのため、量子中継では中継器を利用して、主に「量子もつれ生成」と「量子もつれスワッピング」という操作を行います。従来方式は、物質量子メモリと、物質・光インターフェースを中継器に内蔵させ、最初に「量子もつれ生成」から始め、その後「量子もつれスワッピング」を行うというものでした（図2）。しかしながら、全光量子中継は、これら従来方式の「時間反転」をとる、すなわち「量子もつれスワッピングを行った後に量子もつれ生成を行う」時間反転型方式によって可能となりました（図2、3）。実際、この時間反転型方式の光子を用いた実装が全光量子中継に他なりません（図4）。時間反転型方式は光子で実現可能というだけでなく、従来の量子中継方式が有していた利点のみの引き継ぎに成功しています（表1）。

図1　量子中継
図2　従来方式と時間反転型方式の概略
図3　時間反転法の詳細

図4　全光量子中継方式
表1　従来方式と時間反転型方式の比較

掲載論文情報

Koji Azuma, Kiyoshi Tamaki and Hoi-Kwong Lo,
'All-photonic quantum repeaters',
Nature Communications [2015年4月15日（英国時間）].
doi: 10.1038/ncomms7787

用語解説

物質量子メモリ
量子メモリとは、量子力学的「重ね合わせ状態」を一定時間「保持」する機能を指します。例えば、現在のコンピュータで用いられているメモリは、0あるいは1のいずれの状態も保存・記憶可能ですが、量子メモリは0と1だけでなく、それら2つの量子力学的「重ね合わせ状態」までも含めて保存できるものです。
物質量子メモリとは、そのような量子メモリを物質系によって実現したものを指します。例えば、原子集団、単一原子、イオントラップ、量子ドット、超伝導量子ビット、ダイヤモンド中の単一窒素-空孔複合体中心（NV中心）など。
光子
光の粒子的な側面を光子と呼び、これ以上分割することのできない光エネルギーの最小単位が1光子です。例えば、1光子をビームスプリッターに通せば、光子は量子力学的「重ね合わせ状態」となります。
量子暗号
送受信者が、（送受信者以外）誰にも予測ができない「秘密鍵」と呼ばれるランダムなビット列を持っていれば、それを消費することで、無線通信路やインターネットのような公開通信路で秘匿通信が行えます（バーナム暗号）。量子暗号とは、送受信者間での量子力学的「重ね合わせ状態」のやり取りを通じ、そのような「秘密鍵」を送受信者に提供する方法の事です。そのため、量子鍵配送と呼ばれることもあります。例えば100km程度の量子鍵配送では、送受信者は、光ファイバを通じ、光子をやり取りすることでビット列を共有し、ビット誤りを訂正し、量子力学の原理によって見積もられる「盗聴者（自然界）への漏洩情報」を基に、さらにビット列の長さを適切に縮めることで、所望の「秘密鍵」を得ることができます。
量子テレポーテーション
送受信者が事前に共有した「量子もつれ」と、インターネットや電話などの従来の通信を組み合わせ、送信者が持つ物理系の量子力学的「重ね合わせ状態」を受信者に転送（テレポート）すること。サイエンスフィクションのような話ですが、光子や原子を用いた実験により、既に原理検証がなされています。
東京QKDネットワーク［http://www.nict.go.jp/press/2010/10/14-1.html］
国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）と、その委託研究機関である日本電気株式会社、三菱電機株式会社、日本電信電話株式会社と共に、NICTのテストベッドJGN2plus上で2010年に試験運用された量子暗号ネットワーク。試験運用には株式会社東芝やヨーロッパの研究機関も参加し、標準化に向けた相互接続実験も行われました。
線形光学素子
光子数を保存する光学素子。例えば、ビームスプリッター、半波長板、1/4波長板、位相シフタ、偏光板、偏光ビームスプリッターなど。
単一光子源
1光子をオンデマンドに発生する装置。
光子検出器
1光子レベルの微弱な光でも検出可能な測定器。
アクティブフィードフォワード技術
光スイッチなどを利用し、光子検出器からの測定結果に依存して、線形光学回路を高速に切り替える技術。
量子もつれ
複数粒子の状態が、部分系の記述をどんなに巧みに持ち寄っても決して表現できない、量子力学特有の現象。量子通信、量子計算に欠かせないリソース。光子や原子などを用いて、その存在は既に実験で確認されています。