情報通信研究機構(NICT)は、電気通信大学と共同で、量子情報通信ネットワークの基本操作である「量子もつれ交換」を従来技術の1000倍以上の高速化に成功したと発表した。

これまでの量子もつれ交換技術は、速度が遅すぎて、原理実証実験はできても、実際のネットワーク上での通信実験に適用することは不可能だった。今回の研究成果により、光ファイバーネットワーク上で、量子もつれ光子対に対する回線交換や量子暗号を長距離化するための中継実験を行うことが可能になる。

量子もつれ光子対は、離れた2地点にある光子の間に強い結びつき(いわゆる量子もつれ相関)を持つため、レーザー光では実現できない安全な通信(量子暗号)や高速の計算(量子計算)を実現することができる。複数の量子もつれ光子対をネットワーク上で伝送し、必要な地点間で量子もつれ相関を自在に形成することができれば、量子暗号の長距離化や量子計算機のネットワーク化が可能になる。

そのための基本的なプロトコルが量子もつれ交換である。これは、地点A、B間および地点B、C間でそれぞれ量子もつれ光子対A-BおよびB-Cを共有し、中間地点Bにおいて各対の光子2つにベル測定と呼ばれる操作を行うことで、本来、相関のなかった地点A、C間に量子もつれ相関を形成するもの。

量子もつれ交換を通信ネットワーク上で実現するためには、光ファイバーに適した通信波長帯の光子対を用いる必要がある。通信波長帯における量子もつれ交換の処理速度は、これまで最大でも10秒ごとに1回程度しか行うことができなかったため、プロトコル自体の原理実証はできても、実ネットワーク環境下の通信実験には至っていなかった。

量子もつれ交換を高速化するためには、要素技術となる光子検出器の高速化と高感度化、さらに、A-B間、B-C間の量子もつれ光子対を生成する量子もつれ光源の高輝度化と高純度化が必要となる。NICTでは、2013年11月に、通信波長帯超伝導光子検出器の高感度化(検出効率30%→80%)に成功していたほか、2014年12月、光ファイバー通信波長帯において、高輝度・高純度量子もつれ光を生成できる周期分極反転ポタシウムタイタニルフォスフェート(KTiOPO4)結晶を用いた独自の高純度かつ高速の「量子もつれ光源」を開発していた。

今回、これらの要素技術を統合し、さらに、2つの独立な量子もつれ光源から生成されたA-B間、B-C間の2組の量子もつれ光子対の光子を地点Bで高精度で干渉させるための同期技術を確立することにより、1秒間に108回の量子もつれ交換を行う装置の開発に成功した。これは、従来の速度の1000倍以上に相当する。

なお、今回の研究においては、NICTが量子もつれ交換システムの構築、実証実験を担当し、電気通信大学はデータ解析を担当した。

今回の成果により、これまでは速度が遅すぎて不可能だった、光ファイバーネットワーク上での量子もつれ交換実験が可能になるとのことで、これにより、量子暗号の長距離化に向けた研究開発が大きく前進することとなるとのことで、NICTでは、今後も産学官の機関と連携し、量子暗号の長距離化や量子計算機のネットワーク化に向けた研究開発を進めていく予定だとしている。

なお、同成果は、英国科学誌「Scientific Reports」に掲載された。

量子もつれ交換の原理

量子もつれ交換の実験装置