メディア向け勉強会 2019年4月18日@丸の内オアゾ～「量子コンピュータ」「量子通信」の次に来る、「量子中継ネットワーク」～
小坂英男
kosaka-hideo-yp@ynu.ac.jp
http://kosaka-lab.ynu.ac.jp

横浜国立大学 ・ 先端科学高等研究院

1小坂英男の経歴（量子情報関連のみ抜粋）• 米UCLAにて DARPAの量子情報Pj（Spins）参画

半導体量子ドットを用いた「量子中継素子」の研究• NECにて 総務省「量子暗号」委託研究に参画
世界初の１００ｋｍ超量子暗号の実証• 東北大にてCRESTチーム代表 「量子メディア変換」実証
NICT委託研究チーム代表 「量子もつれ中継」• 横浜国大において科研費基盤S代表 「ダイヤモンド量子メディア変換」
CRESTチーム代表 「ダイヤモンド量子セキュリティ」• その他、FIRST、ポスト「京」プロジェクトなどに参画
2

量子衛星

2018年6月号

量子中継器

量子中継ネットワークのイメージ

3

量子中継ネットワークは何に役立つの？
量子計算、量子通信、量子計測を接続する究極の技術！

量子計算

分散量子計算連携望遠鏡（量子シミュレータ）量子中継ネットワーク
量子通信

量子計測

（量子暗号）（量子センサー）
時計同期

4

本講演の内容
１．量子中継ネットワーク研究の世界動向

２．そもそも量子中継とは？
３．量子中継ネットワーク研究最前線
４．我々の取り組み
５．量子中継関連プロジェクトの最新情報
5

数カ月以内にクラウドサービスでの商用化を進める方針

日経コンピュータ 2017.6.22

62014年11月

米国・中国の量子暗号通信ネットワーク
http://2015.uqcc.org/materials/pdf/Part-V_Zhang.pdf

米国

中国

Seattle北京
Boston計画

既設San Francisco

Washington DC計画

済南

全長2000km
30ノード

Dallas

既設合肥

京沪幹線

合肥

済南

上海

計画
量子衛星

46ノード量子ネットワーク

50ノード量子ネットワーク

7

量子暗号ネットワーク（東京QKDネットワーク）
2010年10月

全長200km

ただし、これらは 古典中継 であって、量子中継 ではない！
（第一世代量子ネットワーク）

8

中国、盗聴不可能な量子暗号衛星を打ち上げ
2016年8月

2017年7月

もつれ光子対1200 km送信

Pan Group, Science, July 20172018年1月 オーストリアとテレビ会議
9中国、量子応用研究センター建設
1兆円規模、 37ヘクタール

USTC(Shanghai)

USTC(Hefei)10

2017年7月

情報通信研究機構(NICT)
超小型衛星と地上間で量子暗号通信成功

高度600km2018年度総務省
量子衛星通信開発を本格化

11中国・カナダの量子中継実験
2016年9月

量子中継30km
合肥（中国）

量子中継

13km
カルガリ（カナダ）
12そもそも量子中継とは？
量子？ モノの名前ではない！性質！
量子メディア？ モノの名前 光子、原子（電子、核子）
量子暗号通信？ 通信ではない！鍵！
量子もつれ？ 双子ではない！一つ！
量子テレポーテーション？ 必ずしも遠くに飛ばない！

13

量子暗号通信とは？
通信の鍵を光子で送ること！＝ 量子鍵配送（QKD）
Quantum Key Distribution

光子を一つずつ送る(鍵自体を送るのではない)

盗聴（コピー）すると光子の量子状態は壊れる

１光子から１ビットの暗号鍵を得る情報１ビット毎に鍵をかけて送る

https://www.tdk.co.jp/techmag/knowledge/200706/index.htm

14量子暗号通信の分類

(CV)

(MDI)

2016年量子科学技術委員会佐々木雅英氏（NICT）資料15

BB84の原理“量子重ね合わせ”の原理を利用！
単一光子

単一光子検出器

2基底のどれかを選んで測定

単一光子源

4偏光のどれかを選んで送る

基底が同じときだけを選びビット鍵を得る

ビット鍵 をもとに暗号通信 を行う！
http://j-net21.smrj.go.jp/develop/digital/pic/001-20101222-01-03.gif 16

“量子重ね合わせ”とは？
壁

測定 左?
Yes

量子重ね合わせ（量子ビット）|左>+ |右>|1 0ۧ + |0 1ۧ
左右

𝟏
確率
𝟐|左>

左右右?
Yes

𝟏確率𝟐|右>17

E91(BBM92)の原理“量子もつれ”の原理でより安全に！
もつれ光子対2基底のどれかを選んで測定

2基底のどれかを選んで測定

アリス

基底が同じときだけを選び鍵を得る

Newton2018年6月号

18

“量子もつれ”とは？
２つの量子が相関した状態
基底状態だけでなく 重ね合わせ状態 も相関！
|0ۧ

|0ۧ

|0 + 1ۧ

|0 + 1ۧ|1ۧ

|1ۧ

|0 − 1ۧ

|0 − 1ۧ

二つの量子で“一つの状態”となっている“ベル状態”と呼ぶ４種類がある|0 0ۧ + |1 1ۧ
二つの量子の|0 0ۧ − |1 1ۧ
重ね合わせ状態|0 1ۧ + |1 0ۧ|0 1ۧ − |1 0ۧ

どの種類かを測定

ベル測定
19

どうして長距離量子暗号通信は難しいか？
量子はコピー（増幅）ができない ！
コピーすると量子状態は壊れる

光子を一つずつ送る必要がある！

光ファイバー中では１００ｋｍ程度が限界
べき乗で減衰 ~ (単位損失)L

量子中継が不可欠 多項式で減衰 ~ (単位損失)xL
20

量子暗号通信の世代
モノのインターネット
量子センサー

量子コンピュータ
ビットコイン

第三世代
第二世代
量子通信網
第一世代

スマートグリッド
エネルギー管理静岡

ネットバンク電子決済
サイバーポリス箱根

ビッグデータDNAバンクイギリス

ゲノムデータ
オランダ

光子

東京

量子中継器

電子政府

電子投票
電子政党

第一世代～100ｋｍ 単一光子を直接伝送 ⇒ 中継が不要 これは簡単！
第二世代～200ｋｍ 中継が一度だけ必要 ⇒ 確率的量子中継

第三世代＞1000ｋｍ 中継が何度も必要 ⇒ 決定論的量子中継
これは大変！

21

量子中継の原理？
光子と同様に原子も量子！
光子
もつれ生成
原子

原子

量子テレポーテーション！
ベル測定

長距離もつれのできあがり！
22量子テレポーテーション？
原子集団

月
ベル測定

測定結果変化再生!

2018年6月号
23量子中継ネットワークの原理
もつれ生成

アリス

ボ
ブ
ベル測定

テレポーテーション

もつれ生成 と ベル測定 でもつれ を拡張！
アリスボブ

長距離もつれ量子暗号

分散量子計算

連携望遠鏡

時計同期

24

“もつれ”の作り方
１.非線形結晶から“もつれ光子対”が発生
光子
光子
光子

２.励起状態から“原子ともつれた光子”が発生
原子

光子

光子

原子
25

原子間もつれの作り方
発光 + ビームスプリッタ

発光 + 吸収発光

光子

吸収光子

ビームスプリッタ
原子

原子

原子

正確な時間合わせが必要

正確な時間合わせが不要

26

原子間もつれの測り方
発光 + ビームスプリッタ

分子の中で測定

原子

分子
マイクロ波

光子

ビームスプリッタ

確率的な中継原子（電子や核子）決定論的な中継27

量子中継ネットワーク
研究最前線

28

量子ビットの代表例
量子計算に最適
操作性

メモリ性

動作温度
（実装性）

集積性

超電導
量子回路

◎×(<1ms)

×(<10mK)◎

ダイヤモンドNV中心○◎（>10s）◎(RT,<10K)△

イオントラップ○◎（>10s）

×(～mK?)

△

半導体
量子ドット

○×(<1ms)△(<1K)○

希土類結晶××(<1ms)△(<3K)

×

量子中継に最適29

なぜダイヤモンドNV中心？
♦ 物理的・機械的に安定している！
♠ 量子状態を極めて長く保持できる！
♣ 発光や吸収といった光学過程が強く、きれい！
高次元

低次元

3D
2D
1D
0D

ダイヤモンドグラフェン
ナノチューブダイヤモンド欠陥

真空中の孤立原子に近く結晶中に固定されている
表面からの雑音が少ない
30

なぜ炭素？

・核スピンが少ない・軌道との結合が弱い
・環境や人体に優しい

核スピンをもつ同位体の天然存在比(%)

31

ダイヤモンドNV中心
炭素：量子メモリー

発光・吸収

電子：量子操作

光子

窒素：量子メモリー

圧倒的に長い量子メモリー時間10秒以上(<10K)

光子とメモリーを変換する小型の量子コンピュータ
32

ダイヤモンド間の量子もつれに成功
2013年

ヤングの干渉実験と同じ原理！

光子光子電子発光発光電子33

遠距離（1.3km）量子もつれに成功
2015年

量子中継電子BS電子

ダイヤモンドダイヤモンド1.3km⇒ Requires perfect coherence34

2014年

ダイヤモンドを用いた量子テレポーテーションに成功
Unconditional quantum teleportation
between distant solid-state qubits

Wolfgang Pfaff, Bas Hensen, Hannes Bernien, Suzanne B. van Dam,
Machiel S. Blok,Tim H. Taminiau, Marijn J. Tiggelman,Raymond N. Schouten, Matthew
Markham, Daniel J. Twitchen, and Ronald Hanson①もつれ生成

④補正

③通知

電子

核子電子

電子

核子電子

②もつれ検出核子から電子への量子テレポーテーション(3m)35我々の取り組み
発光ｰ吸収型量子中継

36

研究体制
横浜国大（小坂）システム実証+産総研（加藤）微細加工
ドーピング制御物材機構（寺地） 結晶成長
量研機構（小野田）イオン注入
京大化研（水落）
量子物性

産総研

NTT （松崎）
量子理論

物材機構

シュトゥットガルト大(Wrachtrup)

量研機構

ウルム大(Jelezko)

NTT AT & NTT EL

材料・ナノ構造素子

マイクロ波・光波モジュール

電子制御
システム
37

発光‐吸収型ダイヤモンド量子中継素子

38

幾何学的量子ビット
エネルギー差のない
幾何学的な量子ビット

通常の動的量子ビット|1

論理空間||操作空間

動的操作・量子テレポーテーション転写|0

幾何学的量子ビット
|-1

|+1

|-1

|+1

|-1

|+1

・ホロノミック量子ゲート
補助系

|0

光子（偏光）|0

電子（スピン）|0

核子（スピン）

補助系を介して量子操作
39

量子テレポーテーション転写
S. Yan, H. Kosaka et al.

2016

シュトゥットガルト大Wrachtrup教授との共同研究

転写をヘラルド（成功通知）
光子

光子から窒素への量子状態転写（量子メディア変換）40ホロノミック量子ゲート
K. Nagata, K. Kuramitani, Y. Sekiguchi and H. Kosaka
2018

マイクロ波の場合マイクロ波の偏光を生み出す
クロスワイヤー

光波の場合
NV中心の電子－窒素を万能操作
41

光波によるホロノミック量子ゲート
Y. Sekiguchi, N. Niikura, R. Kuroiwa, H. Kano and H. Kosaka

2017

量子集積チップの光アクセスを可能に

マイクロワットで従来より100倍速く、3倍高い精度で光スピン制御
42発光‐吸収型 量子中継ネットワーク
発光－吸収だけでネットワークを形成！
3. 量子ゲート操作による核子間のもつれ測定～100ｋｍ
e

14N

13C

e

14N

1. 発光による電子と光子のもつれ生成

13C

e

14N

13C

e

2. 吸収による光子から核子への転写

正確な時間合わせが不要！
43

YNUにおける成果発表リスト
読み出し 電子-光子もつれ検出|A１
|s +

|s -

|+1

Phys. Rev. Lett. 2015
Physical Review Letters, 114, 053603 (2015)

|-1
|0

書き込み 量子テレポーテーション転写 Nature Photonics 2016
量子ビット判定条件

Nature Photonics, 10,507-511(2016)

保持

幾何学的スピンエコー
|D

|B

Nature Communication 2016
Nature Communications, 7, 11668 (2016)

MW制御

ホロノミック量子ゲート

Nature Photonics 2017
Nature Photonics, 11, 309-314 (2017)

Nature Communications 2018
Nature Communications, 9, 3227 (2018)

Optics Letters 2018
拡張性

ハミルトニアン機械学習

Optics Letters, 43, 2380-2383 (2018)44

量子中継関連プロジェクト
最新情報

45

量子情報技術

米国
Quantum Initiative
1000億円
QuTech 200億円
量子計算、量子中継

オランダ

Quantum Tech. Hub
400億円（5年）
量子分野全般英国

Quantum Flagship
1300億円（10年）
量子インターネットを含む量子分野全般EUCAS, USTC(Hefei)
1000億円越
量子NW（2000km）
量子衛星（1200km）

中国

日本

Q-Leap, SIP
日経コンピュータ 2017.6.22

46

オランダの量子中継ネットワーク（２０２０完成）
アムステルダム

ライデン

ハーグ
デルフト

50km

４都市
量子中継
全長100km
Quantum Sci. Technol. 2 (2017) 034002

https://labs.ripe.net/Members/becha/introduction-to-the-quantum-internet

47

ドイツの量子中継コンソーシアム（Q.Link.X）
2019年発足
ダイヤモンド、量子ドット、冷却原子
Partners

ハノーファーボーフム

ヴュルツブルクマインツ
ザールブリュッケン カールスルーエ

ウルム
テュービンゲン•Technische Universität München•Technische Universität Dortmund•HighFinesse Laser and Electronic Systems GmbH,Tübingen•Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut, Berlin•Technische Universität Berlin•Universität Stuttgart•Universität Paderborn•Universität des Saarlandes, Saarbrücken
•Freie Universität Berlin•Leibniz-Institut für Festkörper- undWerkstoffforschung Dresden•Ruhr-Universität Bochum•Swabian Instruments GmbH•Leibniz Universität Hannover•Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching•Julius-Maximilians-Universität Würzburg•Universität Bremen•Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf•Universität Ulm•Humboldt-Universität zu Berlin•Universität Kassel•Johannes Gutenberg-Universität Mainz•Karlsruher Institut für Technologie•Ludwig-Maximilians-Universität München

https://qlinkx.de/48

ドイツにおける量子中継ネットワーク関連プロジェクト
Quantum Repeater consortium project•~20 researchers collaborate for building QR•15 M EUR for 3 years for ~20 groups
https://qlinkx.de/

EU Quantum Technology Flagship•1 Billion EUR for 10 yeas
•Includes Quantum Repeater https://qt.eu/
Quantera (←Qutega)•European initiative but funding comes from the individual country•2017: 34 M EUR, 2019 20M EUR
https://www.quantera.eu/
Federal German program on Quantum technologies•650 M EUR for 4 years
ドイツ版CREST？
https://www.quantentechnologien.de/Junior research groups funded in the framework of the federal program•10 Groups with funding 2.5 - 4.5 M EUR per project for 5 years
https://www.photonikforschung.de/projekte/quantentechnologien/foerd
ermassnahme/quantum-futur.html ドイツ版さきがけ？ Kai Mueller氏 (TU München)より 49

量子通信・量子中継 関連プロジェクトの推移
年度

総務省

2000

TAO
NICT (NEC)
量子通信
量子中継

2005
量子通信
量子中継

量子通信
量子中継
(小坂)

(山本)

山本(Stanford)
小坂(UCLA)Q. Initiative?
内閣府

FIRST
量子通信
量子中継

量子通信
量子中継

(小坂)

ImPACT(山本/小坂)CREST(井元/小坂)量子通信(秘密分散)

蘭国 中国

Q.Hub

量子通信

SIP
PRISM

欧米で量子中継活発化
英国

基盤S

QuTech CAS 独逸Moonshot

量子中継

文科省

Q-Leap

2020

量子中継

JST

NICT
2015

SPINS

CRESTNICT2010

米国

Q.Link.X
2050

量子中継ネットワークのロードマップ
NICT（情報通信機構）ホームページより

我々の研究2025年～
社会実装2051

量子暗号装置サプライヤー
米国調査会社インサイドクァンタムテクノロジー社報告書より

Approach to Profiling
ID Quantique
MagiQ Technologies
NTT
QuintessenceLabs
Nucrypt
Oki ElectricIBM
Raytheon
SK Telecom
Toshiba
Universal Quantum Devices
ZTE

ABB (Acquired Keymile)
Nokia
KPN
Qubitekk
Post Quantum
QuantumXchange
SeQureNet
Anhui Qasky
KETS quantum Security
Fujitsu
Mitsubishi
QinetiQ
NEC(本リストにはない？)52

http://quantum-internet.team/53

インターネットタスクフォースの動向

メルカリ R4D
永山翔太氏作成• Internet Engineering Task Force (IETF)– 古典インターネットの標準化組織（年3回ミーティング）– 右図のレイヤーを取り扱う– セキュリティ部門が量子計算対策
https://datatracker.ietf.org/meeting/102/materials/agenda-102-ipsecme-02• Internet Research Task Force (IRTF)– 標準化にはまだ至らないレベルの技術を取り扱う– Quantum Internet Research Group (proposed)
https://www.irtf.org/mailman/listinfo/qirg• RIPE NCC（Réseaux IP Européens Network Coordination Centre）：– インターネットレジストリ 欧州のIPアドレス管理– TU Delftと協力して量子インターネット– 2020年までに欧州4都市を量子インターネットで接続
https://labs.ripe.net/Members/becha/introduction-to-the-quantum-internet– 量子インターネットの運用や使途までターゲット– 量子インターネットハッカソン
https://labs.ripe.net/Members/becha/join-the-quantum-internet-hackathon-2018• BBN Technologies– 古典インターネットのパケット通信開発に大きな貢献– 量子インターネットのネットワークレイヤーも数年前から
https://arxiv.org/pdf/1708.07142.pdf

54量子インターネットタスクフォース

メルカリ R4D
永山翔太氏作成55

まとめ• 現在研究されている量子通信ネットワーク（第一世代）は長距離の絶対安全性を保障しない。
• これを保障するためには、量子中継ネットワーク（第三世代）の開発が不可欠である。
• 量子中継器は光子と量子メモリーの間の量子メディア変換を行う小型の量子コンピュータである。
• 発光と吸収だけで量子中継ネットワークを形成。
56