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
NTTとトロント大学の研究チームは，長距離量子通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信に必要な「量子中継」に，「物質量子メモリ」＊ が必須

下のような利点を持ち，地球規模での量子通信ネットであるという定説を覆し，光の送受信装置のみで実現可ワーク，すなわち「量子インターネット」の可能性を大能な「全光量子中継方式」を理論的に提唱しました．こきく広げたといえます．

れは，全く新しい「光デバイスのみによる長距離量子通■全光量子中継方式の比類なき利点（1） 限界なき量子通信速度信」への道を切り拓くだけでなく，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．

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，そのためなお，本研究の一部は，国立研究開発法人情報通信量子通信速度が制限されていました．しかしながら，物研 究 機 構（NICT） 受 託 研 究「セ キ ュ ア フ ォ ト ニ ッ ク

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ネットワーク技術の研究開発」の助成を受けて行われ限を一切持ちません．そのため全光量子中継は，通信距ました．

離によらず，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．

■研究の成果（2） 物質と光のインタフェースが不要

量子通信は，原子や光子などに象徴されるミクロな系

従来方式では物質量子メモリと，通信用の光子を結ぶ（量子系）を巧みに扱うことで，「量子暗号」や「量子テために，原理検証段階にある「量子情報インタフェース」レポーテーション」など，従来の通信技術では実現できを必要としていました．全光量子中継は通信用の光子だない全く新しい通信を可能にする手段です．量子通信にけで実現可能であるため，これも一切必要としません．

はさまざまな応用がありますが，中でも量子暗号は100（3） すべての要素技術は原理検証済み

km程度の距離であれば，光の送受信装置のみで実装さ

全光量子中継に必要となる光デバイスは，線形光学素れ，すでに試験運用の段階にあります．しかしながら，子，単一光子源，光子検出器，アクティブフィードフォ

ファイバ中の光損失に抗して，量子通信をより長距離化

ワード技術ですが，これらの要素技術に対する原理検証（1000 kmや10000 kmオ ー ダ に） す る に は「量 子 中 継」はすでに行われており，現状では物質量子メモリ研究よが必要とされ，これには「物質量子メモリ」が必須とさりも進展しています．

れてきました．そのため，世界各地の研究グループで，（4） 常温動作

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

物質量子メモリを利用する場合には通常，雑音を抑えが，実際には物質量子メモリに対する要求は高く，物質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量子メモリに基づく限り，今後のさらなる実験的躍進なれますが，全光量子中継は光デバイスのみに基づくた

しには，量子中継は量子コンピュータよりも難しい可能め，原理的には常温で動作します．

性すら存在しました．

（5） 量子コンピュータへの確実なマイルストーンNTTとトロント大学の研究チームは，このような従従来方式とは異なり，全光量子中継は（全光）量子コ来の「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60NTT技術ジャーナル 2015.6＊ 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．

ンピュータに比べ，格段に容易な技術であることが理論中継により，長距離量子通信までもが光子のみで実現可的に保障されています．これは，全光量子中継に基づく能であることが証明されました．これは，任意の量子情長距離量子通信が量子コンピュータよりも早期に実現

報処理が「光子」を統一的な言語として書き下せることすることを意味しているだけでなく，全光量子中継に必を保障しており，これまで「通信」と「計算」とで個別要となる光デバイスの発展の先に全光量子コンピュー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タが存在することを意味します．したがって，全光量子を可能にします．

中継は量子コンピュータへの確実なマイルストーンで■技術のポイントもあります．

従来理論が物質量子メモリを必須としたのに対し，そ（6） 量子情報処理における光子の「統一言語」としてれを必要としない全光量子中継には，当然のことながの側面の発見ら，概念的飛躍が存在します．それは「時間反転」と呼

既存の全光量子コンピュータに加え，今回の全光量子（a） 量子もつれスワッピング
送信者（送信器）

量子もつれ生成用の光子中継器

誤り訂正符号化された光子中継器

中継器

受信者（送信器）①状態準備

仮想量子ビット（量子暗号の場合）（b） 量子もつれ生成

ぶべきアイデアです．

②光子の伝送③量子もつれ生成プロセス（c） 完成量子もつれ

全光量子中継では，（a）各中継器は，量子もつれ生成用の光子と，量子もつれスワッピングに相当する「量子もつれ」が供給され，誤り訂正符号化された光子を準備します（量子もつれスワッピング）．この状態準備は光子検出器，アクティブフィードフォワード技術と線形光学素子に基づく単一光子集団への逐次演算によって達成され，150 nsのアクティブフィードフォワード技術を仮定すれば，約 3 μsで完了します．（b）次に，各中継器・送信器は光子を左右に伝送し，光子が出会い次第，量子もつれ生成を行います（量子もつれ生成）．これは高い確率で成功し，（c）送受信者間に量子通信のリソースである量子もつれが供給されます．従来方式が「量子もつれ生成」の後に「量子もつれスワッピング」を行うのに対し，全光量子中継では「量子もつれスワッピング」の後に「量子もつれ生成」を行うという特徴があります．

図

全光量子中継NTT技術ジャーナル 2015.661

量子中継は，送受信者間の中継器を利用し，量子通信よって可能となりました．実際，この時間反転型方式ののリソースである「量子もつれ」を送受信者に，効率的光子を用いた実装が全光量子中継となっています（図）．に提供することが目標です．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．
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■参考文献（1） K. Azuma, K. Tamaki, and H.-K. Lo: “All-photonic quantum repeaters,”
Nature Communications, Vol. 6, No. 6787, 2015.

◆問い合わせ先NTT先端技術総合研究所
広報担当
TEL 046-240-5157
E-mail a-info lab.ntt.co.jp
URL http://www.ntt.co.jp/news2015/1504/150415a.html

究極の情報処理の姿を求めて
東浩司

NTT物性科学基礎研究所
量子光物性研究部

研究者
研究者
紹介
紹介

理論量子物理研究グループ

研究員

Information is physical．これは「情報処理は物理法則に支配される」ということを意味するもので，IBMのRolf Landauer（1927-1999）によって提唱された概念です．この考えは，私が携わる量子情報分野の根底にある思想でもあります．事実，私たちは，現代物理学においてもっとも成功を収めている量子物理学に基づき，どのような情報処理が原理的に可能であるかを日々探求しています．このような量子情報分野では，従来のコンピュータや通信の延長線上にない魅力的な応用が数々提示され，中でも量子コンピュータと量子通信は量子情報の2大分野となっています．量子通信については，100 km程度の量子暗号が試験運用段階にある現状において，その長距離化は分野の最重要課題の１つであり，私の興味の１つでもあります．
本成果である（量子通信の長距離化のための）全光量子中継は2012年夏，同グループの玉木潔主任研究員とのトロント大学（Hoi-Kwong Lo教授のグループ）訪問を通じて生まれました．本文から示唆されるように，本方式は恣意的な要請を一切持たず，目的に見合った極々自然な方式といえます．事実，従来の通信分野においてさえ「全光ネットワーク」構想が存在し，今回の全光量子中継が拓く「量子インターネット」は，このような従来構想の究極形に相当するため，今後の分野の自然な発展の末に量子インターネットが誕生する将来さえも予感させてくれます．また，本方式により（量子コンピュータと “距離限界のない” 量子通信を含めた）任意の量子情報処理が光子で記述できることが明らかとなったため，Landauerが望んだであろう「“量子”情報処理に対する物理的制約の統一的理解」の進展が期待できます．

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