特集

量子インターネット

量子技術イノベーションに向けた取り組み

量子中全光
チ
プ
ア ロー

継

量子インターネットに向けて

量子インターネットは地球上の任意のクライアント間での量子通信を可能にするだけでなく，量子計算や量子計測，さらには量子多体系のシミュレーションまでをも包含するパラダイムで，その構築

あずまは分野の長期的課題であり，究極的挑戦といえます．本稿では，量東子インターネットとは何か，実現には何が必要か，また最近の分野での取り組みについて解説します．

こうじ

浩司

NTT 物性科学基礎研究所者の手に渡れば，日常生活でもっともその量子版である「量子インターネッ

利用されている RSA 暗号の安全性をト（1）」は，究極の情報処理ネットワー

現代物理学において，素粒子レベル脅かします．他方，量子鍵配送（QKD）クとなるはずです．本稿では，量子イから宇宙に至るまでのさまざまな自然は，たとえ盗聴者が量子力学で許されンターネットとは何か，実現には何が現象を，もっとも精巧に記述するのはる任意の盗聴行為を行ったとしても必要か，また最近の分野での取り組み

量子力学であるとされています．量子（ つ ま り， 任 意 の サ イ ズ の 量 子 コ ン

について解説します（詳細は包括的総力学は，起こり得る事象が生じる確率ピュータに基づく盗聴行為に対しても）説論文（2）を参照）．

を言い当てるだけで古典力学が与えて情報理論的に安全な暗号通信を提供しきた決定論的世界観を包含する，よります．つまり，量子力学が自然界の正一般性が高いものとなっています．事

しい記述である限り，そのような量子量子インターネットは，（量子コン実，決定論的世界観で構築された理論

力学で許される量子情報処理が，実現ピュータや量子メモリなどの）量子情があったとしても，それを量子化する可能な情報処理の究極形であると考え報処理ノードを，（光ファイバや自由ことは，現代物理学における基本的なられます．

空間などの）量子通信路で結びつけた

はじめに量子インターネットとは取り組みの 1 つであり続けています．

では，そのような量子情報処理の究地球規模の量子情報処理ネットワーク

前世紀末からは，そのような量子力学極形とはなんでしょうか．現在のインで（図 1 ），地球上の任意のクライアの枠組みで許される情報処理，すなわターネットが地球上の最大の情報処理ントの，さまざまな量子情報処理タス

ち量子情報処理の可能性が考察され始ネットワークであるととらえるならば，クの実行を可能にします．このような

め，今となっては量子情報処理が，従来の情報処理の枠組みを包含するのみならず，その枠組みでは困難とされる情報処理タスクまでをも可能にするこ

量子通信路（光ファイバや自由空間など）

C10

C11C2C1A

例えば，量子コンピュータは，現在C7のコンピュータでは難しいとされる大C12C8C6

図1C5量子ネットワークの模式図

図1 量子ネットワークの模式図

362023.4

C15C4C9ことができます．そのため，量子コンピュータが実現され，もしそれが盗聴

B

C3とが分かっています．

きな整数の素因数分解を効率的に行う

量子情報処理ノード（量子コンピュータや量子メモリなど）
C13

C17C14C16C18

特集

量子インターネットは，現在のインターた．2022年には，この実証実験を行っを用いた場合，その透過率はその長さネットの粋を超えたさまざまな応用をてきたアスペ，クラウザー，ザイリンに対して指数関数的に減少します．具

持っています ．例えば，それはネッガーの 3 名にノーベル物理学賞が授与

体的には，送信者が発した，量子情報トワーク上の任意のユーザ間での量子されました ．さらに現在では，そのが埋め込まれた単一光子レベルの光鍵配送を可能にします．そのため，国

量子もつれは量子通信だけでなく，量が，受信者に検出される確率は，標準民投票や首脳会談，金融取引，遺伝情子計算の実行をも可能にする万能リ的な光ファイバの透過率を考慮するだ

報や生体情報のやり取りが可能になりソースであることが明らかにされていけで，50 km で約10％，100 km で約ます．また，量子インターネットは，ます．したがって，そのようなリソー

1 ％，150 km で約0.1％というように，量子テレポーテーションによって未知スとしての量子もつれを効率的に配る

50 km ごとに約0.1倍となっていきまの量子系の情報を遠く離れた地点に光役割を担うことで，量子インターネッす．したがって，たとえ1 GHz クロッ

速で忠実に転送することも可能にしま

トはクライアントにさまざまな機能をクで動作するシステムであったとしてす．これは，分散型量子計算，クラウ提供することをめざすことになります．

も，1000 km の光ファイバを通じてポド量子計算，あるいは量子コンピュー

実際には，欧州の SECOQC ネット

イント・ツー・ポイントの量子通信をタネットワーク構築の基礎となりまワーク，日本の東京 QKD ネットワー行う場合，送受信者が 1 対の量子もつす．さらに量子インターネットは，現ク，中国の2000 km に及ぶ上海・北京れを得るのに必要な時間の期待値は存するもっとも高い精度の時計であるネットワークのように，量子鍵配送を100年オーダとなり，これは現実的で原子時計を正確かつ秘密裏に同期する目的とする量子ネットワーク自体は世はありません．したがって，ポイント・ことにも利用でき，安定で正確で安全界各地で構築されてきました．しかツー・ポイント量子通信だけでは，量な世界時計の共有を可能にし，高精度し，これらのネットワーク中のノード子インターネットは実現できず，それのナビゲーションシステムへの応用もは，量子情報処理ノードではなく，たを実現するためには，量子中継（6），（7）

期待できます．ほかにも，望遠鏡アレとえ量子的な信号を入力として受けが必要とされます．

イの長基線化を可能にするため，天文取ったとしても，それを古典的な信号学の発展にも貢献します．に落としてから処理する能力しかない

（3）

（5）

量子中継とは「古典的」な情報処理ノードです．そ

従来の通信においても，送信者と受のため，それらのネットワークは，ネッ信者の距離が離れている場合は，送受トワーク中の任意のノード間に量子も信者はポイント・ツー・ポイントで結では，どのように量子インターネッつれを配ることはできず，たとえ量子ばれているわけではなく，送受信者間トを構築すればよいのでしょうか．量

鍵配送だけを行うことに特化しても，に設置された中継器を利用していま子インターネットの役割は，クライアすべてのノードが信頼できる状況でなす．ここでの中継器の役割は，弱まっントに対し，「量子もつれ」を効率的い限り，安全な秘密鍵の配送はできまた受信信号を増強し，次の中継器（あに配布することです．量子もつれは，せん．この意味で，それら既存のネッ

るいは受信者）に向け，信号を再発信

原子や光子などの量子系でしか持つこトワークはトラステッドノードネットすることにあります．しかし，この原とができず，古典力学や従来の情報理ワークと分類され，量子インターネッ

理は量子の世界では通用しません．な論の枠組みでは説明がつかない奇妙なトと区別されます．

ぜなら，量子複製不可能定理（8）によ量子インターネットを構築するには相関です．この量子もつれは元々，ア他方，クライアント間を量子通信路り，量子的な信号の複製や増幅が原理

インシュタイン，ポドルスキー，ローで全結合する，すなわちすべてのクラ的にも禁止されているからです．ゆえ

ゼンによって，量子力学が局所実在論

イアントがポイント・ツー・ポイントに量子中継は，そのような信号増幅にと相容れない予想を含むことを指摘すで量子通信を行うのであれば，安全な基づきません．

る際に利用された状態で，ある意味，量子鍵配送ネットワークになります．

量子中継では，中継器を利用して，量子力学の正当性を批判するために引

しかし，このようなネットワークを地主に「量子もつれ生成」と「量子もつき合いに出されました（4）．しかし，皮球規模に拡大するのはコストや効率とれスワッピング」という操作を行いま肉なことに，結果的には量子もつれのいう観点から現実的ではありません．

す．量子メモリ方式（6）では（図 2 ），存在は実験で再三確認されてきまし例えば，量子通信路として光ファイバ

物質量子メモリと量子インタフェース

2023.437

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量子技術イノベーションに向けた取り組み

量子もつれ生成用の光子（1） 量子もつれ生成
送信者 ①光子の伝送中継器

物質量子メモリ

中継器

中継器

受信者

②量子もつれ生成プロセス

量子ビット（2） 量子もつれスワッピング③ベル測定（3） 完成量子もつれ

図2

量子メモリに基づく量子中継

図2 量子メモリに基づく量子中継を内蔵した量子中継器を光ファイバでと呼ばれる量子もつれ状態にある光子照）により，透過率ηの光ファイバが結び，最近接中継器間で光子をやり取を準備します．ここで準備されたグラ持つ量子通信容量〔＝（伝送可能な量りすることで，最近接中継地点を結ぶフ状態にある光子は，光ファイバを通子ビット数）/（使用モード数）〕や秘匿

量子もつれの生成を試み，生成に成功

じて最近接中継地点に分配され，それ通信容量〔＝（秘匿伝送可能なビットしたら，その量子もつれを物質量子メを受け取った中継器は，量子もつれ生数 ）/（ 使 用 モ ー ド 数 ）〕 が，モリに保存しておきます（量子もつれ成操作を施し，成功・失敗に応じて残− log2( 1 −η ) となることが明らかに生成）．この量子もつれ生成を成功す

りの光子を測定すると，高い確率で送されました．これは，光ファイバを用るまで繰り返すことで，すべての最近受信者間に量子もつれが供給されまいたポイント・ツー・ポイントの量子接中継地点間が量子もつれで結ばれた

す．全光方式における中継器は，量子通信の限界を表し，（透過率ηがファら，中継器内の量子もつれの片割れのメモリ方式とは異なり，物質量子メモ

イ バ の 長 さ と 定 数 att に 対 し て対にベル測定を施すことで，最近接中リや量子インタフェースを必要とせず，η=継地点を結んでいた量子もつれを，送光デバイス（単一光子源，線型光学素と）量子中継がなければ，効率的な長受信者を直接結ぶ量子もつれへと変換

子，アクティブフィードフォワード技

距離量子通信，ひいては量子インターします（量子もつれスワッピング）．

術，光子検出器）だけで機能し，方式ネットは実現できないことを示しま

このように，量子メモリ方式では量子の繰り返しレートは通信距離によらす．また，任意の光ファイバネットもつれ生成を行い，その後量子もつれず，光デバイスの動作速度だけで決まワーク中の 2 者間通信に対する量子 /スワッピングを行います．となることを考慮に入れる

ります．そのため，従来の通信分野に秘匿通信容量が導出され，この容量が（7）他方，全光方式 は（図 3 ），量子おける全光アプローチとも親和性が高量子中継を並列化することで達成可能

もつれスワッピングに対応する操作をく，量子もつれの供給速度も極めて速であることが示されました．これは量最初に行い，その後量子もつれ生成をくなります．

子中継が，原理限界の効率を持つ，あ行うという時間反転方式に基づきます．具体的には，全光方式では各中継

38− / att

るいはそれに近いハイパフォーマンス

お わりにの量子インターネットを構築する際に地点において，量子もつれスワッピン

量子ネットワークに関する理論研究グを実装するために，「グラフ状態」の近年の進展（詳細は総説論文 を参2023.4（9）おいても，基本的な役割を担うことを示しています．

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量子もつれ生成用の光子（1） 量子もつれスワッピング
送信者

中継器

量子ビット

誤り訂正符号化された光子

中継器

中継器

受信者

①グラフ状態にある光子の準備（2） 量子もつれ生成③量子もつれ生成プロセス②光子の伝送（3） 完成量子もつれ

図3

全光量子中継図3 全光量子中継

他方で，現状で実用化段階にあるポ

富山大学，カナダのトロント大学の研イント・ツー・ポイント量子鍵配送と，究チームと，中国の中国科学技術大学

量子インターネット実現に不可欠な量の研究チームが独立に，時間反転型の子中継には技術的，概念的な間隙が存

量子もつれスワッピングの原理検証実在します．この間隙を埋める方式の探験を報告しています．

索と実装は，量子鍵配送分野の大きなトレンドとなっています（10）．例えば，
適 応 型 測 定 装 置 無 依 存 QKD や ツ イン・フィールド QKD などはこれに分類されます．また，量子中継の原理検証実験についても，メモリ方式，全光方式ともに近年さかんに行われています（2）. 量子メモリ方式について，オランダのデルフト工科大学ではダイヤモンド中の NV 中心を用いて，米国のハーバード大学・MIT ではシリコン中の空孔を用いて，中国の清華大学ではRb 原子集団を用い，量子メモリを利用した量子もつれスワッピングの原理検証実験が行われています．また，全光方式については，パラメトリック下方変換と線形光学素子を通じて生成された GHZ 状態と呼ばれるグラフ状態に基づき，日本の大阪大学，NTT，

network design,” AVS Quantum Sci., Vol.3,014101, 2021.
（10） M. Curty, K. Azuma, and H.-K. Lo: “Aquantum leap in security,” Phys. Today,
Vol.74, No.3, pp.36-41, 2021.

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（2） K. Azuma, S. Economou, D. Elkouss, P.
Hilaire, L. Jiang, H.-K. Lo, and I. Tzitrin:“Qua n t u m repeaters: Fro m qua n t u m
networks to the quantum internet,”arXiv:2212.10820, 2022.
（3） S. Wehner, D. Elkouss, and R. Hanson:“Quantum internet: A vision for the roadahead,” Science, Vol.362, No.6412, 2018.
（4） A. Einstein, B. Podolsky, and N. Rosen:“Can quantum-mechanical description ofphysical reality be considered complete?,”Phys. Rev., Vol.47, pp.777-780, 1935.
（5） https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/（6） H. J. Briegel, W. D r, J. I. Cirac, and P.
Zoller: “Quantum repeater: The role ofimperfect local operations in quantumcommunication,” Phys. Rev. Lett., Vol. 81,No.26, pp. 5932-5935，1998.
（7） K. Azuma, K. Tamaki, and H.-K. Lo: “Allphotonic quantum repeaters,” Nat.
Commun., Vol.6, No.6787，2015.
（8） W. K. Wootters and W. H. Zurek: “A single
quantum cannot be cloned,” Nature, Vol.299,
pp.802-803, 1982.
（9） K. Azuma, S. B uml, T. Coopmans, D.
Elkouss, and B. Li: “Tools for quantum

東浩司

量子インターネットについての理論的理解は近年急速に進み，その結果，量子中継の研究開発の重要性が再認識されました．実際，欧州をはじめ，中国，米国と大型の研究プロジェクトが走っています．日本においても追従すべく，量子インターネット研究への注目が高まってきています．

◆問い合わせ先NTT 物性科学基礎研究所
量子科学イノベーション研究部
TEL 046-240-3440
FAX 046-240-4722
E-mailkoji.azuma.ez

2023.4hco.ntt.co.jp

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