量子通信におけるイノべーション
慶應義塾大学 政策・メディア研究科 特任准教授
メルカリ R4D シニアリサーチャー
永山 翔太

世を革新する技術の発展
分散量子コンピュータ半導体

AI(コンピュータ)

インターネッ
ト

1970~

1990~

2012~

量子

量子インターネット(コンピュータ)

2030？~

2035？~

自己紹介
永山翔太 / Shota Nagayama●

ざっくり言うと：インターネット技術を基礎に量子情報技術をやってきた異色人間●博士（政策・メディア）●

動機：量子技術の情報システムとしての実現●

研究テーマ：量子インターネット・分散量子コンピュータ

●

所属

●

■MOONSHOT
JSTムーンショット目標6内「スケーラブルで強靭な統合的量子通信システム」PJ（プロジェクトマネージャー）○

株式会社メルカリ 研究開発部 R4D シニアリサーチャー○

慶應義塾大学 政策・メディア研究科 特任准教授

Co-innovation 活動

量子コンピューティング

インターネット■WIDE PROJECT
80’に東大/慶大/東工大を繫げ、米国に接続し、日本のインターネットを開始したコンソーシアム（ボードメンバー）

量子インターネット■QITF
量子インターネットの多組織連携コンソーシアム（ファウンダー・代表）

3https://www.riken.jp/pr/news/2023/20230324_1/
https://www.fujitsu.com/global/about/research/technology/quantum/4Pictures from wikipedia

計算道具の系統図

計算補助

そろばん（紀元前〜）
仕組み：石
動力：人間

計算尺（17世紀〜）
仕組み：目盛り
動力：人間

情報

機械式デジタル

パスカルの計算機（17世紀〜）
仕組み：歯車
動力：人間

解析機関（ 19世紀; 未完成）
仕組み：歯車
動力：蒸気機関

機械式アナログ

電子式デジタル
ENIAC（1946）
仕組み：電子式
（真空管）
動力：電力

微分解析機（ 20世紀）
仕組み：様々
動力：蒸気機関

連立方程式求解機（ 1936）
仕組み：プレートの角度

IBM System/360（1964）
仕組み：電子式（ IC）
動力：電力

今日の一般的なコンピュータ（1970年代〜）
仕組み：電子式（ LSI）
動力：電力

計算道具の系統図

情報（古典）情報

計算補助

そろばん

計算尺

機械式
デジタル

解析機関

量子情報

機械式
アナログ

パスカルの計算機

Pictures from wikipedia andhttps://rqc.riken.jp/

電子式
デジタル
ENIAC

微分解析機

連立方程式求解機

IBM System/360
一般的コンピュータ

計算道具の系統図

情報（古典）情報

計算補助

そろばん

計算尺

機械式
デジタル

解析機関

量子情報

機械式
アナログ

パスカルの計算機

Pictures from wikipedia andhttps://rqc.riken.jp/

電子式
デジタル
ENIAC

微分解析機

連立方程式求解機

IBM System/360
一般的コンピュータ

情報表現はアナログ（しかも複素数）だけど、エラー管理はデジタルにできる不思議コンピュータ※ただし、このアナログ量を直接outputできるわけではない計算道具の系統図

Pictures from wikipedia andhttps://rqc.riken.jp/

情報（古典）情報

計算補助

そろばん

計算尺

機械式
デジタル

機械式
アナログ

パスカルの計
算機

解析機関

量子情報

電子式
デジタル
ENIAC

微分解析機

連立方程式求解機

IBM System/360

光量子ビット

固定タイプの量子ビット

一般的コンピュータ

https://www.jst.go.jp/erato/nakamura_mqm/project_overview/p01.html
https://www.riken.jp/press/2020/20200325_2/index.html#note10
http://www.takedalab.t.u-tokyo.ac.jp/research/量子コンピュータとは●量子力学（に基づく情報科学）で作られたコンピュータ○

古典力学（に基づく情報科学）で作られたコンピュータ（いわゆるデジタルコンピュータ）量子コンピュータの素子
ゲート型・アニーリング型といった計算方法の種別の他に、素子の種別もある（ゲート処理速度や寿命などが異なる）
●

超伝導型

●

イオン型

●

光型

●

ダイヤモンドNV-center型

●

単一原子型

●

集団原子型

●

希土類型
など

https://www.jst.go.jp/erato/nakamura_mqm/project_overview/p01.html
https://www.riken.jp/pr/closeup/2021/20210531_1/index.html
https://www.nict.go.jp/quantum/about/iontrap.html
https://www.u-tokyo.ac.jp/adm/fsi/ja/projects/quantum/project_00005.html
https://kosaka-lab.ynu.ac.jp/news.html

（違いの一例）現行コンピュータとは情報処理の進め方が異なる
Jones et al. Phys. Rev. X 2, 031007. 2012.

●●

現行計算機：物体的な回路の入力線にデータや制御信号を流し込み、出力線から結果を得る→データを移動させて、固定された回路を通して情報処理する
量子計算機：物体的な量子ビットにレーザーパルス等を当てて状態を変化させるのが量子回路→回路（を構成するゲート操作の集団）のほうが固定された量子ビットまでやってくる

量子コンピュータの大別
種別

実現時期

量子アニーラ（アニーリング型
量子コンピュータ）2011年〜
R&D向けの商用販売・クラウドアクセス開始（ゲート型）量子コンピュータ
NISQ量子コンピュータ

誤り訂正型量子コンピュータ

2014年〜
R&D向けクラウドアクセス開始

2030年〜？

やれること組合せ最適化問題

化学計算や金融計算が有力● 量子シミュレーション○ 創薬・材料開発など● 問題の構造を利用○ 素因数分解・離散対数問題・パターン
マッチング・半正定値計画問題（近似）など● 逆関数計算○ 検索（とよく言われる）

目下の課題

システムの大規模化
キラーアプリ探索

システムの大規模化
キラーアプリ探索

誤り訂正の実現

量子コンピュータとは
n=2
n=1

00

0

n=3
000
001
010

01

10

011
100
101

1
11

n

● n 量子ビットは 2 個の状態を持つ● 「量子データ」の形で情報処理！

110
111

①各状態が出現確率を持っている②問題の解へ確率が集める量子コンピュータとは
n=2
n=1

00

0

n=3
000

10

011
100
101

1
11

②問題の解へ確率が集める

001
010

01

n

● n 量子ビットは 2 個の状態を持つ● 「量子データ」の形で情報処理！

ここの速さが計算速度を決める=量子アルゴリズム

110
111①各状態が出現確率を持っている分散量子コンピュータ
1010量子ビット：2 =約1000個の候補の中から解を高速に見つけ出す
量子ネットワーク化！
＝「量子データ」で繋ぐ

20
10+10量子ビット：2 =約100万個の候補の中から解を高速に見つけ出す

もっとたくさん使いたい！

量子コンピュータの計算方法●●

並列計算とよく言われる
実際のところは？

…

0…00
0…01
+1

…

…
0…10

0…01
0…10
0…11

…

…

たしかに、並列に計算はできる。
ただし、目的の解だけを取り出すことが難しい。
→この困難要因の克服数法が存在する手続きが量子アルゴリズム（と、対応する問題）

量子コンピュータにとって何がキツイか
1. エラー
2. エラー
3. エラー

計算機の歴史的には●●

歯車：角度がズレる
電気：逃げる、もしくは飛んでくる（電波ノイズ）

とにかく、計算機の歴史はエラーとの戦い

NISQ量子コンピュータ●

Noisy Intermediate-Scale Quantum 技術○●

エラーのある、中規模（50~100量子ビット）の量子効果を利用する技術

NISQ量子コンピュータ＝エラーが発生する前に計算を終えようという発想

シミュレーションできない領域
・50量子ビットのシミュレーション →ペタバイトレベルのデータを高速に処理する必要がある
何かしら利用可能だろうという期待・キラーアプリ探索が盛ん →化学計算・金融計算など

エラー訂正あり量子コンピュータ●●

量子コンピュータの本命
エラー管理
○

●

用途（多岐）○○○●

エラー訂正するので問題なし
量子の性質をそのまま使う：超多項式的加速■ 量子シミュレーション →創薬、材料開発
問題の構造を exploit：超多項式的加速■ 素因数分解、離散対数問題、パターンマッチング、半正定値計画問題（近似）、
逆行列計算、 etc.
汎用的に干渉を取り扱う：多項式的加速■ 逆関数計算（検索）、 etc.

メルカリでの生の声（例）○○「逆行列計算log(N)でできるのすごい」「逆行列計算の高速化ができるといろいろ便利 …より興味が増した！」

量子通信

20

量子インターネットとは、量子情報のネットワーク化
概要

統合イノベーション戦略推進会議「量子技術イノベーション戦略（最終報告）」より

他の量子通信技術との違い
量子技術による 量子データ 伝送ネットワーク＝量子インターネット※E2E暗号

ネットワーク化で、様々な新技術が可能に
量子データ通信、デジタルインターネットをE2Eに量子で守る、広範囲量子センサーネットワーク、など

量子技術による デジタルデータ （＝暗号鍵）
伝送ネットワーク＝量子暗号ネットワーク（総務省推進）※E2E暗号ではない
画像出典 https://www.nict.go.jp/press/2010/10/14-1.html

・リーダー選挙、ビザンチン問題、
量子ビットコイン、量子認証、量子鍵配送、etc.

・秘匿量子計算・分散量子計算・超高精度時刻同期
・超長基線電波望遠鏡
・ネットワーク量子センシング

従来のインターネットが計算機・センサーなどを繋ぎ始めて新たな領域に。
→ 量子技術・情報をネットワーク化する技術分野の創出 も自然な流れ

社会実装：量子技術・情報の広域通信プラットフォーム

出口 ● インフラ：光ファイバー事業者、接続事業者● ハードウェア：通信機器・メモリ等部品、etc.

● ソフトウェア・（直接的）サービス：クラウド量子コンピュータとの量子接続、量子IoT、量子計測・同期、量子セ
キュリティ基盤（E2Eの量子暗号に加え、認証・秘匿計算）、など

インターネットの時代

量子インターネット併用の時代
2
開 021
発
黎
明

20
20 X
D
90 装
実
19 会
社
期
70 黎明
19 発
開

「量子インターネット」＝本格的な量子技術時代のコンピュータ・ネットワーク基盤

情報通信市場への広がり

期

インターネットのほうが優れた領域

量子インターネットが優れた領域（セキュリティの一部も含む）
量子インターネットのみが実現可能な領域（量子データ等）

21

22

目指す社会像（ 2050年）：量子コンピュータネットワークによる、
世界中で量子データが自由に生み出され、流通し、自在に処理される “Advanced” Society 5.0

社会
実装

微弱信号センシング 材料革命による高効 世界規模の金融 真に安心・安全で・巨大分子の創薬シ 率エネルギー・脱炭 計算による経済 高速・正確な新・情報社会
ミュによる医療新時 素・高機能材料・物 危機ゼロ社会
代
流革命

医療・防災など多様な環 次世代情報処理が実現
境のあらゆる信号のセン するイノベーション加速
シングによる超高度予測 による新・科学技術/情報
技術立国
社会など、「量子前提」が可能にする新社会の実現

量子情報の生成・流通・処理基盤が必要=量子ネットワークによる、分散量子コンピュータ・量子インターネット
分散型量子コンピュータ（ラック内/一台の量子中継機）/周辺拠点から量子通信で利用

プロダク
ト

分散型量子コンピュータ（データセンター内/多数の量子中継機）/離れた拠点からの量子通信による利用

量子コンピュータネットワークによって広がる世界

分散型量子コンピュータ（多数のデータセンター連携）/量子インターネットの普及
量子センサーネットワーク

一般ユーザなど

分散量子コンピュータ
量子中継機 [データセンター内] (多段)ラック

量子インターネット

ラック
e.g. ラック

量子中継機 [ラック内]
変換器
波長・符号

超伝導など
量子コン
ピュータ

変換器
波長・符号

補助機能
(T-Factory)

変換器
波長・符号

イオンなど
量子
ストレージ

変換器
波長・符号

量子コン
ピュータ

変換器
波長・符号

補助機能
(T-Factory)

変換器
波長・符号

量子
ストレージ

データセンター

データセンター本プロジェクトで取り組む部分

23

世界の量子インターネット施策と特徴
米国

QuTech 量子インターネット部門● 量子インターネットに加え、分散量子コンピュータネットワークを視野に● 2022年後半から7年間の新プロジェクト(QIA)○ 最初の3.5年で2400万ユーロ(約35億円)○ (2018~2021年:1000万ユーロ(約14.5億円))● 強み: HWの実装が早い。
● システムチームがHWを使えるのは2週間/年● 量子信号中継実証（ダイヤモンド量子ビット）(2021)
・リンクプロトコル実証(2022)● 量子ネットワークOS提案: 初期概念のみ(2023)

中国
●
●
●
●

全光量子中継を阪大に次いで実証
原子集団による確率的量子中継実証
Qike Quantumの分散量子計算研究
衛星もつれ配送の実証など● メモリ技術ダイバーシティ● インターネット研究・運用の知見を生かしたトップダウン型
研究に強み● 人材は必要分野に広く薄く（教育が今後の鍵）オーストリア
230mイオントラップ間接続 by イ
ンスブルック大学(画像出典：NATIONAL QUANTUM
INITIATIVE SUPPLEMENT TO THE
PRESIDENT’S FY 2023 BUDGET)● 政府: 2020年に量子NWに注力開始● 国家量子イニシアチブ法の改定で量子ネット
ワーク予算を大規模追加(1億ドル(約150億円)/年; 5年間)
● 科学技術情報局レポート: A Roadmap for
Quantum Interconnects (2022年)● IONQが量子通信ベンチャーを買収し、分散処理の体制構築 (2023年)● IBMは、長距離量子通信に強いシカゴ大学と連携して、量子ネットワーク化による10万
量子ビットを目指す（次ページ）● 他、DoE・NSF・NIST等が量子インターコネ
クトに研究開発投資
24

2023年5月21日

・IBMがQCの光ネットワーク化に向けた最初の構想 を発表
・ネットワーク的な研究開発は正にこれから
https://research.ibm.com/blog/100k-qubit-supercomputer25

メディア露出・実績など
日経新聞朝刊 2021/3/8○
日本経済新聞に掲載。全日本の量子インターネットテストベッドの📜
取り組みとして。
■
日本経済新聞電子版 2021/3/5■
日本経済新聞朝刊 2021/3/8○
日経クロステックに掲載。
📜■
突発、量子ネット大戦 2021/5/19○
量子インターネットホワイトペーパー執筆・公開
📜○
量子インターネットの設計指標に係る文書の共同執筆@IRTF
📜■
IRTFは、TCP/IPやHTTP等を定めた標準化団体 IETF の姉妹組織。長期的な課題に取り組む。
○
インタフェースWG（2020年9月発足）○
テストベッドWG（2020年12月発足）○
総会（2019年5月発足）○
他、勉強会・研究会など開催○
応用物理学会 研究会「量子技術ホライゾンー量子物理から量子
インターネットを展望する 」を共催○など
26

量子インターネットのホワイトペーパー

https://qitf.org/news/20210210-whitepaper/

RFC9340!!!
This ﬁrst document (not even standards
track) took four years.
初の量子インターネット（量子通信）
概念の仕様書の策定には、４年間かかった。

28

Architectural Principles for a Quantum Internet
アブスト & イントロ
●

●

アブスト
○

量子通信を地球上の任意の 2地点間で○量子もつれのための量子ネットワークスタックが必要○

how to organise, utilise, and manage such networks.

○

このメモでは、フレームワーク起工とアーキテクチャ概念紹介をおこなう■

一般的ガイダンスや興味のため■

また、物理学者とネットワークスペシャリストを繋げ、議論できるようにするため

イントロ○

量子現象を使ったネットワーク○

発展度合いによって、光子を用意して送って測定するだけのものから、量子コンピュータ・ネットワークまである○

現行インターネットを replaceするものではない

○

問題意識
■

実際に作られた、ネットワークの動かし方の提案がない●■

デバイス同士を繋げるにも、送受信、バッファ管理、コネクション同期などに関するインタフェースがない

量子状態を送る物理的メカニズムは存在するが、ロバストなプロトコルがない●

つまり、システム！

量子ネットワークの、ネットワーク工学面への期待が高まっている30プロトコル仕様

https://github.com/sfc-aqua/RuleSetSpec/

31

Internet Engineering Task Force (IETF)
Internet Research Task Force (IRTF)●●●

IETF: Standardization organization for the Internet (TCP/IP, http, etc.)
IRTF: Corresponding research organization
116th meeting 2023/3/27-31 @Yokohama, Japan○○

Quantum Internet Research Group meeting in IRTF
Host Speaker Series“The Future & Roadmap to the Quantum Internet - Testbed Efforts in Japan -”

■
■

○
○

Shota Nagayama & Rodney Van Meter
more than 10% of participants (top classical network specialists) of
IETF/IRTF joined the session.
Quantum Internet Lab Tour to Yokohama National Univ.
https://ietf116.jp/tour/

32

33

技術史における量子インターネット
デジタルコンピュータ
デジタルコンピュータ
黎明期

デジタルコンピュータ
実用期

仕組み/デザインは汎用、使い方は特定目的●○
弾道ミサイルの軌道計算 etc.

●

分散コンピュータ
ネットワーク化
仕組み/デザインも汎用、使い方も汎用→古典IT革命
重要概念：→量子IT革命コンピュータの汎用化とコンピュータネットワーク化→情報が「いつでも、どこでも手に入り、自在に処理できる」ものに量子コンピュータ
黎明期

●

1950
●

1960

仕組み/デザインは汎用、使い方は特定 (?)目的○ 化学・金融・機械学習・ etc.

2020

余談：量子アニーラは仕組み/デザインから特定目的

2030

量子コンピュータ
実用期
分散コンピュータ
ネットワーク化●

仕組み/デザインも汎用、使い方も汎用2050

量子インターネット● 広域分散量子コンピューティング○ 量子データの伝送インターネットはなぜすごいのか1.

情報を「適切な時に、適切な場所に、適切に処理できる形で存在する」ものにした■ 任意の場所で任意のデータを即時に得られる（送れる）ことで達成○

世界中が1つのネットワークで繋がっている■○

汎用的に使える■■○（逆に考えてみると）Aさんと会話するには東京と通信する用のこの通信網で通信、Bさんは神奈川にいるから会話できない、Cさんは米国にいるから会話できない、…。
1用途にしか使えない通信デバイスを大量に持ちたいか
昔は持っていた：音声通話（電話）、文字会話（ポケベル）、画像送信（
FAX）

低遅延
■
■

1通送るのに1日かかるメッセージアプリを使いたいか
昔は使っていた：手紙

量子情報で同じ世界を実現する分野＝量子インターネット

量子で「汎用コンピュータ通信」できるありがたさ● 「ちょっと量子で保存しとくかー」○

量子データではなく、量子ファイル → 量子ファイルの送信● 「途中までうちの大学の量子サーバで処理しておいて、残りは理研の量子スパコンだな」○

c.f. : 機械学習における、データの前処理と学習処理○

例: QRAMへのデータ入力をローカル量子クライアントで、量子情報処理を強力なリモート量
子サーバで● 「うちの大学の量子サーバじゃスペック足りないから、あの大学の量子サーバと並列計算 (分散量子計算)しよう」● 「機械学習の量子モデルを欲しがってたから、作って送っておこう」

分散量子コンピュータ
1010量子ビット：2 =約1000個の候補の中から解を高速に見つけ出す
量子ネットワーク化！
＝「量子データ」で繋ぐ

20
10+10量子ビット：2 =約100万個の候補の中から解を高速に見つけ出す

もっとたくさん使いたい！

39インターネットはなぜすごいのか2.

インターネット自身を支える基盤系の機能を自前で持っている
○
○
○

3.

セキュリティ
品質管理
さらに、近年ではブロックチェーンなど

高速分散アルゴリズムの存在○

金融、ゲーム、 etc.

量子インターネットでのセキュリティ● 理論上解読不可能な暗号○ 解くのに100万年かかる暗号※量子コンピュータだと1日○ 理論上解読不可能な暗号へ秘匿量子計算（概要）●

目的: クライアントが遠隔にある量子コンピュータ(サーバー)を安全に使う。
○
○

●

方法
1.
2.

●

クライアントの能力はサーバーよりずっと低い■ クライアントは 1量子ビットを2種類の基底で切り替えて測定するだけ
サーバーはクライアントが何をしているか一切わからない。
サーバーは測定型量子計算が可能になる多体エンタングル状態を作り、その qubitをひとつず
つクライアントに送る。
クライアントは順次測定していく。測定基底の選択はそれ以前の測定基底の選択や測定結果に依存する。

安全性○

そもそもサーバーは決まった状態を送っているだけなので何も知りようがない。
●●

クライアント

基底切り替え可能
測定装置

サーバー

Morimae, Fujii, PRA 87, 050301(R)(2013)
cf. : A. Broadbent, J. Fitzsimons, and E.
Kashefi, Proceedings of the 50th AnnualIEEE Symposium on Foundations ofComputer Science (IEEE, Piscataway,
NJ, 2009), p. 517.

秘匿量子計算（概要）●

目的: クライアントが遠隔にある量子コンピュータ(サーバー)を安全に使う。
○
○

●

方法
1.
2.

●

クライアントの能力はサーバーよりずっと低い■ クライアントは 1量子ビットを2種類の基底で切り替えて測定するだけ
サーバーはクライアントが何をしているか一切わからない。
サーバーは測定型量子計算が可能になる多体エンタングル状態を作り、その qubitをひとつず
つクライアントに送る。
クライアントは順次測定していく。測定基底の選択はそれ以前の測定基底の選択や測定結果に依存する。

安全性○

そもそもサーバーは決まった状態を送っているだけなので何も知りようがない。
●●

クライアント

基底切り替え可能
測定装置

サーバー

Morimae, Fujii, PRA 87, 050301(R)(2013)
cf. : A. Broadbent, J. Fitzsimons, and E.
Kashefi, Proceedings of the 50th AnnualIEEE Symposium on Foundations ofComputer Science (IEEE, Piscataway,
NJ, 2009), p. 517.

Byzantine 合意問題（Byzantine 将軍問題）●

目的: 全員で共通の値(0 or 1)で合意したい。

●

制約
○
○
○
○

●
●

例：
3部隊で攻めると勝てるが、2部隊以下で攻めると負ける

構成員の全結合グラフの量子通信路 (+古典通信路)がある。
一部反逆者がいる (1/3以下)
反逆者の計算能力に制限なし
通信は同期的問題: 誠実な構成員が同じ値で合意するために何ラウンドの通信が必要になるか。
ラウンド数
○

古典:

○

量子:

攻撃

攻撃

量子で「汎用コンピュータ通信」できるありがたさ●

世界を1つの超巨大量子系にできる

量子インターネット● 量子センサーネットワーク（量子IoT）○ 宇宙からの超微弱な電波の取得■ 遠くの天体の構造■ 宇宙の成り立ち○ 地中■ 地震の予兆○ 人体■ 小さな小さな病気の種量子インターネットアプリケーション
量子インターネットのすごさ１『量子情報を「適切な場所に、適切に処理できる形で、適切な時に存在する」ものにする』は別格として●現在わかっている量子インターネットアプリケーション例
○
○
○

○
○

End-to-End 量子鍵配送（すごさ２）■ 情報理論安全な共有秘密鍵を生成
量子デジタル署名（すごさ２）■ 情報理論安全な認証を実現
秘匿量子計算（すごさ２）■ サーバ管理者・クラウド事業者にもデータや処理内容が漏洩し得ない秘匿計算
超長基線望遠鏡（すごさ３）■ 微弱な信号を検出可能
高速Byzantine合意（すごさ３）
D. Gottesman, T. Jennewein, S. Croke, PRL 109, 070503 (2012)

48

† 2方向に発展、現在地点‡ 次の重要ステップ

量子インターネットマイルストーン①②
デジタル信号※現在この段階に到達

アプリケーション
古典中継の量子暗号

量子信号中継Proof of Concept
実験室内● 量子メモリなし
全光アーキテクチャ(大阪大学, 2019)● 量子メモリあり
ダイヤモンド内窒素
アーキテクチャ(デルフト工科大学, 2021)†

Trusted Node
量子鍵配送ネットワーク（東京QKDネットワーク等）※E2E暗号ではない

④

‡

⑤

量子信号

量子信号は一旦
電子デジタル信号に変換

出口

†

③

● 今後数年で他のハードウェアでもPoCの期待

全く別物

離れたノード間の量子中継システム・
プロトコルの動作実証

大規模ネットワークに繋がるシステム・
プロトコルの最小構成での動作実証

大規模な複雑ネットワーク
へのスケール実証

アプリケーション● 分散量子計算● ネットワーク量子センシング● 超高精度時刻同期● E2E量子鍵配送、等
アプリケーション側からの研究と並行

●
●
●
●
●

秘匿量子計算量子セキュリティ
リーダー選挙ビザンチン将軍問題
量子ビットコイン、等

出口
都市規模 量子インターネット

国家規模 量子インターネット
世界規模 量子インターネット49量子インターネットとは：量子暗号ネットワークとの差分
量子通信による 古典（デジタル）ビット（＝暗号鍵）伝送ネットワーク＝量子暗号ネットワーク● 共有秘密鍵生成機能のみ○ 特定用途ネットワーク● 量子コンピュータに対しても安全○ いわゆる長期安全性● ただし、非End-to-End暗号○ 中継しないならある意味 E2E● 技術的に実現済み
デジタル信号量子信号は一旦
電子デジタル信号に変換

量子通信による 量子ビット
伝送ネットワーク＝量子インターネット● 量子の汎用ネットワーク● 多目的・多様・ E2Eなアプリケーション○ 量子鍵配送を含む暗号、センサー、分散計算など○ End-to-End安全なセキュリティ● 基礎研究段階
技術レベルに多段ステップの乖離がある(Wehner, Elkouss,
Hanson, 2018)

量子信号

量子信号をそのまま処理・中継・活用50

量子インターネットとは：量子暗号ネットワークとの差分
量子通信による 古典（デジタル）ビット（＝暗号鍵）伝送ネットワーク＝量子暗号ネットワーク● 共有秘密鍵生成機能のみ○ 特定用途ネットワーク● 量子コンピュータに対しても安全○ いわゆる長期安全性● ただし、非End-to-End暗号○ 中継しないならある意味 E2E● 技術的に実現済み

量子通信による 量子ビット
伝送ネットワーク＝量子インターネット● 量子の汎用ネットワーク● 多目的・多様・ E2Eなアプリケーション○ 量子鍵配送を含む暗号、センサー、分散計算など○ End-to-End安全なセキュリティ● 基礎研究段階
技術レベルに多段ステップの乖離がある(Wehner, Elkouss,
Hanson, 2018)51

量子鍵配送の課題 by NSA

52量子鍵配送の課題 by NSA

53

Trusted Node 量子鍵配送ネットワーク

Bob
量子鍵配送

量子鍵配送
デバイス

量子鍵配送

量子鍵配送

Alice

● “量子通信”は1hopのみ可能と割り切る● 各リンクの鍵は量子鍵配送で作る● 古典インターネット上で量子セキュアに鍵配送（鍵カプセル化）Trusted Node 量子鍵配送ネットワーク

Bob
量子鍵配送

量子鍵配送
デバイス

量子鍵配送

量子鍵配送

Alice

● “量子通信”は1hopのみ可能と割り切る● 各リンクの鍵は量子鍵配送で作る● 古典インターネット上で量子セキュアに鍵配送（鍵カプセル化）Trusted Node 量子鍵配送ネットワーク

Bob
量子鍵配送

量子鍵配送
デバイス

量子鍵配送

量子鍵配送

Alice

● “量子通信”は1hopのみ可能と割り切る● 各リンクの鍵は量子鍵配送で作る● 古典インターネット上で量子セキュアに鍵配送（鍵カプセル化）Trusted Node 量子鍵配送ネットワーク

Bob
量子鍵配送

量子鍵配送
デバイス

量子鍵配送

量子鍵配送

Alice

● “量子通信”は1hopのみ可能と割り切る● 各リンクの鍵は量子鍵配送で作る● 古典インターネット上で量子セキュアに鍵配送（鍵カプセル化）Trusted Node 量子鍵配送ネットワーク

Bob
量子鍵配送

量子鍵配送
デバイス

量子鍵配送

量子鍵配送

Alice

● “量子通信”は1hopのみ可能と割り切る● 各リンクの鍵は量子鍵配送で作る● 古典インターネット上で量子セキュアに鍵配送（鍵カプセル化）Trusted Node 量子鍵配送ネットワーク

Bob
量子鍵配送

量子鍵配送
デバイス

量子鍵配送

量子鍵配送

Alice

● “量子通信”は1hopのみ可能と割り切る● 各リンクの鍵は量子鍵配送で作る● 古典インターネット上で量子セキュアに鍵配送（鍵カプセル化）Trusted Node 量子鍵配送ネットワーク

Bob
量子鍵配送

量子鍵配送
デバイス

量子鍵配送

量子鍵配送

Alice

● “量子通信”は1hopのみ可能と割り切る● 各リンクの鍵は量子鍵配送で作る● 古典インターネット上で量子セキュアに鍵配送（鍵カプセル化）Trusted Node 量子鍵配送ネットワーク

Eve

Bob
量子鍵配送

量子鍵配送
デバイス

量子鍵配送

量子鍵配送

Alice

● “量子通信”は1hopのみ可能と割り切る● 各リンクの鍵は量子鍵配送で作る● 古典インターネット上で量子セキュアに鍵配送（鍵カプセル化）Trusted Node 量子鍵配送ネットワーク

Eve

Bob
量子鍵配送

量子鍵配送
デバイス

量子鍵配送

量子鍵配送

Alice

● “量子通信”は1hopのみ可能と割り切る● 各リンクの鍵は量子鍵配送で作る● 古典インターネット上で量子セキュアに鍵配送（鍵カプセル化）Trusted Node 量子鍵配送ネットワーク

Eve

Bob
量子鍵配送

量子鍵配送
デバイス

量子鍵配送

量子鍵配送

Alice

● “量子通信”は1hopのみ可能と割り切る● 各リンクの鍵は量子鍵配送で作る● 古典インターネット上で量子セキュアに鍵配送（鍵カプセル化）● ノードが全て信頼できる
前提＝Trusted Node64

量子インターネット：３つの研究開発要素● 量子情報の伝送 → 「量子もつれ」の中継・長距離配送に必要な技術開発：量子中継、量子メモリ、
量子-光子インターフェース、周波数変換など量子光技術、etc.

２．ネットワークアーキテクチャ・プロトコル● 量子の物理的特徴に最適化されたアーキテクチャ・プロトコル・ミドルウェア設計● 量子インターネットの良し悪し を決定→信頼性・安定性・インシデント耐性・高パフォーマンス性・メンテナンス性・スケーラビリティなど● しかも、40年以上使用される （今のインターネットを動かしているTCP/IPは1970年代に開発され、今も現役）
必要な技術開発：自律分散協調システム、各レイヤーの責任分解・抽象化・インタフェース、相互接続性、互換性、資源管理、ルーティング、E2E接続、スケーラビリティ、動的制御、トラストアンカー、etc.
今のネットワークアーキテクチャは、ハードとソフトが試行錯誤して時間をかけて発展 （電話網からインターネット、電気から光）→しかし、 今のインターネットをそのままコピーすればよいわけではない。
→量子でどのようにすべきか不明。研究開発要素 膨大

３．アプリケーション● 計算機・センシング・通信にまたがる横断的な分野● 多くの応用はその物理系（ハードウェア）と密接に関係○ 量子計算に向いた物理系、センシングに向いた物理系、 etc.
→ ネットワークの設計・物理系選択とも密接に関連必要な技術開発：3分野の理論・実験、実用化を見越した開発、NISQ 量子イン
ターネットアルゴリズム、今のインターネットとの統合（言語、ライブラリ、etc.）

様々な領域の研究者が連携して統合的に進めないと良いものにならない

１．ハードウェア65

完成形イメージ図

ネットワークシステムソフトウェア/ネットワークシステムハードウェア(ネットシステム)
量子ハードウェア/量子制御装置(ハードウェア)
エンドノードB

アプリ:応用・抽象化・実装
アプリ
同期システムFPGA・コンピュータ

信号生成器

FPGA・
コンピュータ量子測定器/
光子検出器

量子系
・量子もつれ光源
・量子メモリ等

エンドノードA

同期システム

信号生成器

量子測定器/
光子検出器

量子光スイッチ・干
渉回路など

中継ノード

エンドノードC

インターネット: 古典力学的ノード

社会実装
インフラ化

ELSI(倫理・法律・社会 )情報学(理論+工学): 古典力学的通信路 (e.g. 光ファイバー): 自律ネットワーク

分散アルゴリズム

アプリケーション

計算機工学

ネットワーク理論
・グラフ理論

通信理論/通信工学
・符号

古典力学

ソフトウェア工学
・システムソフトウェア
・分散システム・セキュリティ

ネットワーク工学・プロトコルスタック

エレクトロニクス
光学
制御工学
物性 etc.

量子インターネット: 量子ノード

社会実装
インフラ化

ELSI(倫理・法律・社会 )情報学(理論+工学): 量子通信路(e.g. 光ファイバー): 自律ネットワーク

分散アルゴリズム

アプリケーション

計算機工学

ネットワーク理論
・グラフ理論

通信理論/通信工学
・符号

量子力学・光学(理論+工学)

ソフトウェア工学
・システムソフトウェア
・分散システム・セキュリティ

ネットワーク工学・プロトコルスタック

量子エレクトロニクス、量子デバイス、
量子光学、光物性、非線形光学
量子制御工学、物性 etc.

社会実装

量子インターネット

・ELSI(倫理・法律・社会 )・ELSI(倫理・法律・社会 )情報学(理論+工学): 量子ノード: 量子通信路(e.g. 光ファイバー): 自律ネットワーク

分散アルゴリズム

アプリケーション

計算機工学

ソフトウェア工学
・システムソフトウェア
・セキュリティ

1

2
量子中継

1

ネットワーク理論
・グラフ理論ソフトウェア工学
・システムソフトウェア
・セキュリティ

通信理論/通信工学
・符号

ネットワーク工学・プロトコルスタック

波長変換

2
3

3

ノイズ軽減
波長変換
位相補正
メモリ-光子インタフェース

量子力学・光学(理論+工学)

量子エレクトロニクス、量子デバイス、
量子光学、光物性、非線形光学
量子制御工学、物性 etc.

社会実装

量子インターネット

・ELSI(倫理・法律・社会 )・ELSI(倫理・法律・社会 )情報学(理論+工学): 量子ノード: 量子通信路(e.g. 光ファイバー)分散アルゴリズム: 自律ネットワーク
1

計算機工学

2
3

4

アプリケーション

Application

Application

Transport layerTransport layerInternetlayer

Internetlayer

Internet
layer

link
layer

link
layer

link
layer

ネットワーク理論
・グラフ理論

通信理論/通信工学
・符号

ソフトウェア工学
・システムソフトウェア
・分散システム・セキュリティ

ネットワーク工学・プロトコルスタック

5
6
6

1

2-5

量子力学
(理論+工学)

量子エレクトロニクス、量子デバイス、
量子光学、光物性、非線形光学
量子制御工学、物性 etc.

量子インターネット: 量子ノード

社会実装
・ELSI(倫理・法律・社会 )・ELSI(倫理・法律・社会 )情報学(理論+工学): 量子通信路(e.g. 光ファイバー): 自律ネットワーク

分散アルゴリズム

アプリケーション

計算機工学

ネットワーク理論
・グラフ理論

通信理論/通信工学
・符号

量子力学(理論+工学)

ソフトウェア工学
・システムソフトウェア
・分散システム・セキュリティ

ネットワーク工学・プロトコルスタック

量子エレクトロニクス、量子デバイス、
量子光学、光物性、非線形光学
量子制御工学、物性 etc.

量子インターネット: 量子ノード

社会実装
・ELSI(倫理・法律・社会 )・ELSI(倫理・法律・社会 )情報学(理論+工学): 量子通信路(e.g. 光ファイバー): 自律ネットワーク

分散アルゴリズム

アプリケーション

計算機工学

ネットワーク理論
・グラフ理論

通信理論/通信工学
・符号

量子力学(理論+工学)

ソフトウェア工学
・システムソフトウェア
・分散システム・セキュリティ

ネットワーク工学・プロトコルスタック

量子エレクトロニクス、量子デバイス、
量子光学、光物性、非線形光学
量子制御工学、物性 etc.

構想１：室内ネットワーク
超短距離量子コンピュータネットワーク

多領域の研究者による各種要素技術を統合し、量子ネットワークを実証★
●

かわさき新産業創造センター（ KBIC）○ 4ノードの星型ネットワークを構築○ ルーティング等を含む、ネットワークシステム全体像を実現

構想２：データセンターサイズネットワーク
キャンパス内フィールド実験 (データセンターサイズネットワーク）●

かわさき新産業創造センター（ KBIC）○ 4ノードの星型ネットワークを構築○ ルーティング等を含む、ネットワークシステム全
体像を実現

●

慶應義塾大学新川崎キャンパス○ 量子光技術の要素研究 @ムーンショット

約200m

構想３：キャンパス間ネットワーク
キャンパス間フィールド実験 (インターネット )東京方面へ●

かわさき新産業創造センター（ KBIC）○ 4ノードの星型ネットワークを構築○ ルーティング等を含む、ネットワークシステム全
体像を実現

●

慶應義塾大学新川崎キャンパス武岡研究室○ 量子光技術の要素研究 @ムーンショット●

慶應義塾大学矢上キャンパス●

横浜国立大学●

さらに拡大へ約200m

量子コンピュータネットワーク長期マイルストーン
現在の実施課題

項目1, 2, 4, 5(a) 光量子ネットワークシステム

2040年〜

2030年

大規模QCネットワーク

スケーラブルで強靭な統合的量子通信システム

直線型● スター型● システム多重化(b) 光接続可能な量子コンピュータ

項目3・スター型NWの実証
・スケール検証（シミュレーション）

量子信号

量子中継原理実証● バッファによる効率化● 量子効率向上● 多重化対応量子メモリ
小規模分散量子計算

広域/狭域 大規模分散量子計算

社会実装

76

量子インターネット：３つの研究開発要素● 量子情報の伝送 → 「量子もつれ」の中継・長距離配送に必要な技術開発：量子中継、量子メモリ、
量子-光子インターフェース、周波数変換など量子光技術、etc.

２．ネットワークアーキテクチャ・プロトコル● 量子の物理的特徴に最適化されたアーキテクチャ・プロトコル・ミドルウェア設計● 量子インターネットの良し悪し を決定→信頼性・安定性・インシデント耐性・高パフォーマンス性・メンテナンス性・スケーラビリティなど● しかも、40年以上使用される （今のインターネットを動かしているTCP/IPは1970年代に開発され、今も現役）
必要な技術開発：自律分散協調システム、各レイヤーの責任分解・抽象化・インタフェース、相互接続性、互換性、資源管理、ルーティング、E2E接続、スケーラビリティ、動的制御、トラストアンカー、etc.
今のネットワークアーキテクチャは、ハードとソフトが試行錯誤して時間をかけて発展 （電話網からインターネット、電気から光）→しかし、 今のインターネットをそのままコピーすればよいわけではない。
→量子でどのようにすべきか不明。研究開発要素 膨大

３．アプリケーション● 計算機・センシング・通信にまたがる横断的な分野● 多くの応用はその物理系（ハードウェア）と密接に関係○ 量子計算に向いた物理系、センシングに向いた物理系、 etc.
→ ネットワークの設計・物理系選択とも密接に関連必要な技術開発：3分野の理論・実験、実用化を見越した開発、NISQ 量子イン
ターネットアルゴリズム、今のインターネットとの統合（言語、ライブラリ、etc.）

様々な領域の研究者が連携して統合的に進めないと良いものにならない

１．ハードウェア77

量子インターネット：３つの研究開発要素● 量子情報の伝送 → 「量子もつれ」の中継・長距離配送に必要な技術開発：
量子中継、量子メモリ、
量子-光子インターフェース、etc.

２．ネットワークアーキテクチャ・プロトコル● 量子の物理的特徴に最適化されたアーキテクチャ・プロトコル・ミドルウェア設計● 量子インターネットの良し悪し を決定→信頼性・安定性・インシデント耐性・高パフォーマンス性・メンテナンス性・スケーラビリティなど
量子インターネット＝ 量子情報技術の総合格闘技● しかも、40年以上使用される （今のインターネットを動かしているTCP/IPは1970年代に開発され、今も現役）
量子暗号の技術 や量子計算の技術 、さらにインターネットの知見 も活用しつつ、必要な技術開発：自律分散協調システム、各レイヤーの責任分解・抽象化・インタフェース、相互接続性、互換性、資量子インターネットのためのネットワークデザインやアーキテクチャ を源管理、ルーティング、E2E接続、スケーラビリティ、動的制御、トラストアンカー、etc.
理論研究・工学的に実現し、 量子情報（量子もつれ） の伝送をおこなう、
今のネットワークアーキテクチャは、ハードとソフトが試行錯誤して時間をかけて発展 （電話網からインターネット、電気から光）
大複合領域→しかし、 今のインターネットをそのままコピーすればよいわけではない。
→量子でどのようにすべきか不明。研究開発要素 膨大（今の量子イノベ戦略は量子中継のハード開発しか書いていない）

３．アプリケーション● 計算機・センシング・通信にまたがる横断的な分野● 多くの応用はその物理系（ハードウェア）と密接に関係○ 量子計算に向いた物理系、センシングに向いた物理系、 etc.
→ ネットワークの設計・物理系選択とも密接に関連必要な技術開発：3分野の理論・実験、実用化を見越した開発、NISQ 量子イン
ターネットアルゴリズム、今のインターネットとの統合（言語、ライブラリ、etc.）

様々な領域の研究者が連携して統合的に進めないと良いものにならない

１．ハードウェア78

海外の取り組みの中身

79

●

EUの取り組み●

量子インターネットのチームが分散量子コンピュータも担っている（どちらも量子コンピュータネットワークとして推進している）

都市規模ネットワーク 2つを接続するプロトタイプ計画

https://quantum-internet.team/mission/

https://quantumdelta.nl/TUQ/wp-content/uploads/2021/05/Catalyst-Programme-2-National-Quantum-Network.pdf

https://qutech.nl/research-engineering/quantum-internet/(Chromeの機能による自動翻訳 )80

米国の取り組み
米国エネルギー省(DoE)のBlueprint

多拠点でテストベッドエフォートを推進(DoE, NSFなど)
●
●
●
●
●
●
●
●

Berkeley lab, ESnet, UC Berkeley, Caltech (1250万ドル)
Oak Ridge National Lab (1250万ドル)
Brookhaven Natinal Lab
Chicago Quantum Exchange (UChicago, アルゴンヌ研究所,
etc)
Brookhaven National Lab
アリゾナ大学 (2600万ドル(ボストンエリアを含む予算))
ボストンエリア(ハーバード、MITなど)
DC-QNET (ワシントン周辺の政府機関HQを接続する計画)

81
https://news.uchicago.edu/story/department-energy-unveils-blueprint-quantum-internet-event-university-chicago

https://www.osti.gov/biblio/1638794

中国の量子もつれに関する実験
衛星から量子もつれを飛ばして1200km 衛星から飛ばした量子もつれを使った暗号鍵生成のデモンストレーション
離れた2地点に共有原子集団による確率的量子中継の実証

まとめ●量子インターネット＝
量子データのグローバルな伝送と分散量子処理を可能にする量子コンピュータNW●

アプリケーション：研究開発の本格化はこれから
分散量子情報処理、量子センサーネットワーク、
インターネットと同じ使い方が可能かつ理論上解読不可能な暗号、etc.

●

2010年代に量子コンピュータのプロトタイプ実装が幕を開けたように、2020年代は量子ネットワークの実装幕開け○ 量子インターネット自体のみならず、量子コンピュータの発展にも貢献(分散処理)