量子ネットワーク

量子ネットワークは、量子コンピューティングおよび量子通信システムの重要な要素を形成します。量子ネットワークは、物理的に分離された量子プロセッサ間で、量子ビット (キュービットとも呼ばれる) の形式での情報の送信を容易にします。量子プロセッサは、一定数のキュービットで量子回路を実行できるマシンです。量子ネットワークは、従来のネットワークと同様に機能します。主な違いは、量子コンピューティングと同様に、量子ネットワークは、量子システムのモデリングなどの特定の問題を解決するのに優れていることです。

ネットワーク化された量子コンピューティング または分散型量子コンピューティング^{[1] [2]}は、複数の量子プロセッサを量子ネットワークを介してリンクし、それらの間で量子ビットを送信することによって機能します。これにより、量子コンピューティング クラスターが作成され、コンピューティングの可能性が高まります。このようにして、より強力な 1 つのプロセッサを作成するために、より非力なコンピュータをリンクできます。これは、古典的コンピューティングで複数の古典的コンピュータを接続してコンピュータ クラスターを形成することに似ています。古典的コンピューティングと同様に、このシステムは、ネットワークに量子コンピュータをどんどん追加することで拡張可能です。現在、量子プロセッサは短い距離でしか分離されていません。

量子通信の分野では、量子プロセッサ間で量子ビットを長距離送信することが望まれます。^{[3]このようにして、ローカル量子ネットワークを量子}インターネットに内部接続できます。量子インターネット^[1]は、量子もつれ量子ビットを作成することにより、リモートの量子プロセッサ間で情報を伝送できるという事実から力を得る多くのアプリケーションをサポートしています。量子インターネットのほとんどのアプリケーションでは、非常に控えめな量子プロセッサのみが必要です。量子暗号における量子鍵配布などのほとんどの量子インターネットプロトコルでは、これらのプロセッサが一度に1つの量子ビットのみを準備および測定できれば十分です。これは、（組み合わせた）量子プロセッサが古典的なコンピュータ（約60 ^{[4] ）よりも多くの量子ビットを簡単にシミュレートできる場合にのみ興味深いアプリケーションを実現できる}量子コンピューティングとは対照的です。量子インターネットアプリケーションでは、わずか2つの量子ビット間でも量子もつれを実現できるため、多くの場合、1つの量子ビットのみの小さな量子プロセッサのみが必要です。古典的なコンピュータ上での量子もつれシステムのシミュレーションでは、同じセキュリティと速度を同時に提供することはできません。

量子ネットワーク、より一般的には量子インターネットの基本構造は、従来のネットワークに似ています。まず、アプリケーションが最終的に実行されるエンド ノードがあります。これらのエンド ノードは、少なくとも 1 量子ビットの量子プロセッサです。量子インターネットの一部のアプリケーションでは、エンド ノードに複数の量子ビットの量子プロセッサと量子メモリが必要です。

第二に、量子ビットをあるノードから別のノードに転送するには、通信回線が必要です。量子通信には、標準的な通信用ファイバーを使用できます。量子プロセッサが短距離でリンクされているネットワーク化された量子コンピューティングでは、量子プロセッサの正確なハードウェア プラットフォームに応じて、異なる波長が選択されます。

3 番目に、通信インフラストラクチャを最大限に活用するには、量子ビットを目的の量子プロセッサに配信できる光スイッチが必要です。これらのスイッチは量子コヒーレンスを維持する必要があり、標準的な光スイッチよりも実現が困難です。

最後に、量子ビットを長距離輸送するには量子中継器が必要です。中継器はエンドノード間に出現します。 ^[5]量子ビットはコピーできないため（複製禁止定理）、古典的な信号増幅は不可能です。必然的に、量子中継器は古典的な中継器とは根本的に異なる方法で動作します。

エンドノードは情報の受信と発信の両方を行うことができます。^[5]通信用レーザーとパラメトリックダウンコンバージョンを光検出器と組み合わせることで、量子鍵配送に使用できます。この場合、エンドノードは多くの場合、ビームスプリッターと光検出器のみで構成される非常に単純なデバイスになります。

しかし、多くのプロトコルでは、より洗練されたエンドノードが望ましい。これらのシステムは高度な処理能力を提供し、量子中継器としても使用できる。その主な利点は、基礎となる量子状態を乱すことなく量子情報を保存および再送信できることである。保存される量子状態は、磁場内の電子の相対スピンまたは電子のエネルギー状態のいずれかである。^[5]また、量子論理ゲートを実行することもできる。

このようなエンドノードを実現する方法の1つは、ダイヤモンドの窒素空孔中心などの色中心を使用することです。このシステムは、いくつかの量子ビットを備えた小型の量子プロセッサを形成します。NV中心は室温で利用できます。^[5]このシステムでは、小規模な量子アルゴリズムと量子エラー訂正^[6]がすでに実証されており、2つ^[7]と3つ^[8]の量子プロセッサをエンタングルメントし、決定論的な量子テレポーテーションを実行する能力もあります。^[9]

もう一つの可能​​性のあるプラットフォームは、イオントラップに基づく量子プロセッサであり、これは無線周波数磁場とレーザーを利用する。^[5]多種トラップイオンノードネットワークでは、親原子とエンタングルされた光子を使用して、異なるノードをエンタングルする。^[10]また、空洞量子電磁力学（Cavity QED）は、これを行う1つの可能な方法である。Cavity QEDでは、光子の量子状態は、光空洞に含まれる単一原子に格納されている原子量子状態との間で転送できます。これにより、離れた原子間のリモートエンタングルメントの作成に加えて、光ファイバーを使用して単一原子間で量子状態を転送できます。^{[5] [11] [12]}

長距離では、量子ネットワークを運用する主な方法は、光ネットワークと光子ベースの量子ビットを使用することです。これは、光ネットワークではデコヒーレンスの可能性が低いためです。光ネットワークには、既存の光ファイバーを再利用できるという利点があります。あるいは、大気や真空を通して量子情報を伝送する自由空間ネットワークを実装することもできます。^[13]

既存の通信用ファイバーを使用した光ネットワークは、既存の通信機器と同様のハードウェアを使用して実装できます。このファイバーはシングルモードまたはマルチモードのいずれかであり、シングルモードの方がより正確な通信が可能です。^[5]送信側では、標準的な通信用レーザーを大幅に減衰させて、パルスあたりの光子の平均数が1未満になるようにすることで、単一の光子源を作成できます。受信には、アバランシェ光検出器を使用できます。干渉計やビームスプリッターなど、位相または偏光を制御するさまざまな方法を使用できます。エンタングルメントベースのプロトコルの場合、エンタングルメント光子は、自発的なパラメトリックダウンコンバージョンによって生成できます。どちらの場合も、通信用ファイバーを多重化して、非量子タイミング信号と制御信号を送信できます。

2020年に中国の複数の機関に所属する研究者チームが、50キロメートルのコイル状光ファイバーケーブルを介して量子もつれメモリを送信することに成功しました。^[14]

自由空間量子ネットワークは光ファイバーネットワークと同様に動作しますが、光ファイバー接続を使用する代わりに、通信当事者間の見通し線に依存します。自由空間ネットワークは通常、光ファイバーネットワークよりも高い伝送速度をサポートでき、光ファイバーによって引き起こされる偏光スクランブルを考慮する必要がありません。^{[15]しかし、長距離では、自由空間通信は}光子に対する環境擾乱の可能性が高くなります。^[5]

衛星から地上への自由空間通信も可能です。1,203 kmの距離にわたってエンタングルメントを分散できる量子衛星^[16]が実証されています。また、直線距離20,000 kmにある全地球航法衛星システムからの単一光子の実験的交換も報告されています。^[17]これらの衛星は、より小さな地上ネットワークをより長い距離にリンクする上で重要な役割を果たすことができます。自由空間ネットワークでは、乱流、散乱、吸収などの大気条件が、送信される量子状態の忠実度に影響を与える課題となります。これらの影響を軽減するために、研究者は適応光学、高度な変調方式、およびエラー訂正技術を採用しています。^[18]盗聴に対するQKDプロトコルの耐性は、送信されるデータのセキュリティを確保する上で重要な役割を果たします。具体的には、BB84やデコイ状態方式などのプロトコルは、潜在的なセキュリティの脆弱性に対する堅牢性を向上させるために自由空間環境に適応されています。

長距離通信は、光ファイバーなどのほとんどの伝送媒体に固有の信号損失とデコヒーレンスの影響によって妨げられます。従来の通信では、送信中に信号を増幅するために増幅器を使用できますが、量子ネットワークでは量子ビットをコピーできないため増幅器は使用できません。これは複製不可定理として知られています。つまり、増幅器を実装するには、飛行中の量子ビットの完全な状態を決定する必要があり、これは望ましくなく、不可能なことです。

通信インフラストラクチャのテストを可能にする中間ステップは、信頼できるリピーターです。重要なのは、信頼できるリピーターを使用して量子ビットを長距離伝送することはできないということです。代わりに、信頼できるリピーターは、リピーターが信頼できるという追加の仮定の下で、量子鍵配布を実行するためにのみ使用できます。2 つのエンド ノード A と B、および中間の信頼できるリピーター R について考えます。A と R は量子鍵配布を実行して鍵を生成します。同様に、R と B は量子鍵配布を実行して鍵 を生成します。A と B は次のようにして相互に鍵を取得できるようになりました。A は鍵 で暗号化して R に送信します。Rは復号化して を取得します。次に、R は鍵 を使用して再暗号化し、B に送信します。B は復号化して を取得します。A と B は鍵 を共有できるようになりました。鍵は外部の盗聴者からは安全ですが、明らかにリピーター R も を知っています。つまり、A と B 間のその後の通信はエンドツーエンドのセキュリティを提供せず、A と B がリピーター R を信頼している限り安全です。 ${\displaystyle k_{AR}}$${\displaystyle k_{RB}}$${\displaystyle k_{AB}}$${\displaystyle k_{AB}}$${\displaystyle k_{AR}}$${\displaystyle k_{AB}}$${\displaystyle k_{AB}}$${\displaystyle k_{RB}}$${\displaystyle k_{AB}}$${\displaystyle k_{AB}}$${\displaystyle k_{AB}}$

真の量子中継器は、量子もつれのエンドツーエンド生成を可能にし、量子テレポーテーションを使用することで、量子ビットのエンドツーエンド伝送を可能にします。量子鍵配布プロトコルでは、このようなもつれをテストできます。つまり、暗号化キーを作成する際、送信者と受信者は、量子中継器を信頼していなくても安全です。量子インターネットの他のアプリケーションでも、量子ビットのエンドツーエンド伝送、つまり量子中継器が必要です。

量子中継器はエンタングルメントを可能にし、物理的にもつれ合った量子ビットを全距離にわたって送信することなく、遠くのノードで確立することができます。^[19]

この場合、量子ネットワークは、おそらく数十から数百キロメートルの多数の短距離リンクから構成されます。単一の中継器の最も単純なケースでは、2 組のエンタングルメントされた量子ビットが確立されます。送信側と中継器に とが配置され、中継器と受信側に との 2 組目が配置されます。これらの最初のエンタングルメントされた量子ビットは、たとえばパラメトリック ダウン コンバージョンによって簡単に作成でき、1 つの量子ビットが物理的に隣接ノードに送信されます。この時点で、中継器は量子ビットに対してベル測定を実行し、の量子状態を にテレポートできます。これにより、エンタングルメントが「スワップ」され、 と は最初のエンタングルメントされたペアの 2 倍の距離でエンタングルメントされます。このような中継器のネットワークを線形または階層的に使用して、長距離にわたってエンタングルメントを確立できることがわかります。^{[20] [21]}${\displaystyle |A\rangle }$${\displaystyle |R_{a}\rangle }$${\displaystyle |R_{b}\rangle }$${\displaystyle |B\rangle}$${\displaystyle |R_{a}\rangle }$${\displaystyle |R_{b}\rangle }$${\displaystyle |R_{a}\rangle }$${\displaystyle |B\rangle}$${\displaystyle |A\rangle }$${\displaystyle |B\rangle}$

上記のエンドノードとして適したハードウェアプラットフォームは、量子リピーターとしても機能することができます。ただし、量子ゲートを実行する機能がなく、リピーターとして機能するタスクにのみ特化したハードウェアプラットフォームも存在します^[22]。

エラー訂正は量子中継器で使用できます。ただし、技術的な制限により、長距離にわたって量子ビットを保護できる量子エラー訂正方式には非常に大量の量子ビットが必要となり、したがって非常に大きな量子コンピュータが必要になるため、適用範囲は非常に短い距離に限定されます。

通信におけるエラーは、損失エラー（光ファイバー/環境による）と動作エラー（偏光解消、位相ずれなど）の2種類に大別できます。冗長性は古典的なエラーを検出して修正するために使用できますが、複製禁止定理により冗長な量子ビットを作成することはできません。その結果、ショアコードや、より一般的で効率的なコードのいずれかなど、他のタイプのエラー修正を導入する必要があります。これらのコードはすべて、量子情報を複数のエンタングルメントされた量子ビットに分散させることで機能し、動作エラーと損失エラーを修正できます。^[23]

量子ネットワークでは、量子鍵配布などの特殊なケースで、量子エラー訂正に加えて、古典的なエラー訂正も使用できます。これらのケースでは、量子通信の目的は、古典的なビットの文字列を安全に送信することです。量子ネットワークでエンコードして送信する前に、ハミング コードなどの従来のエラー訂正コードをビット文字列に適用できます。

量子デコヒーレンスは、最大限にエンタングルメントされたベル状態の1つの量子ビットが量子ネットワークを介して伝送されるときに発生する可能性があります。エンタングルメントの精製により、多数の任意の弱いエンタングルメントを持つ量子ビットからほぼ最大限にエンタングルメントされた量子ビットを作成することができ、エラーに対する追加の保護が提供されます。エンタングルメントの精製（エンタングルメント蒸留とも呼ばれる）は、ダイヤモンドの窒素空孔中心ですでに実証されています。^[24]

量子インターネットは、量子もつれによって実現される数多くのアプリケーションをサポートします。一般に、量子もつれは、調整、同期、またはプライバシーを必要とするタスクに適しています。

このようなアプリケーションの例としては、量子鍵配送、^{[25] [26]}クロック安定化、^{[27]リーダー選挙や}ビザンチン合意などの分散システムの問題に対するプロトコル、^[5]望遠鏡のベースライン拡張、^{[28] [29]} 位置検証、^{[30] [31]ノイズ}ストレージモデルにおける安全な識別と2者間暗号化などがあります。量子インターネットは、クラウド内の量子コンピュータへの安全なアクセスも可能にします。具体的には、量子インターネットにより、非常に単純な量子デバイスをリモートの量子コンピュータに接続して、量子コンピュータがこの計算が実際に何であるかを知ることなく、そこで計算を実行できるようになります（計算を破壊せずに入力および出力の量子状態を測定することはできませんが、計算に使用された回路構成はわかります）。

どのような形式であれ通信を行う場合、最大の問題は常にこれらの通信を秘密に保つことです。^[33]量子ネットワークは情報の作成、保存、送信を可能にし、「今日のインターネットでは達成不可能なレベルのプライバシー、セキュリティ、計算力」を実現する可能性があります。^[34]

ユーザーが選択した量子演算子を情報システムに適用することで、送信者も受信者も知らないうちに盗聴者が送信された情報を正確に記録できる可能性なしに、情報を受信者に送信できます。ビットで送信され、0 または 1 の値が割り当てられる従来の情報とは異なり、量子ネットワークで使用される量子情報は、重ね合わせ状態にある、同時に 0 と 1 の両方の値を持つことができる量子ビット (キュービット) を使用します。 [ ^{34] [35]}これが機能するのは、リスナーが盗聴しようとすると、盗聴によって意図しない方法で情報が変更され、攻撃対象の人々に手の内がバレてしまうためです。第二に、情報をデコードするための適切な量子演算子がなければ、送信された情報が破損し、自分で使用できなくなります。さらに、キュービットは、光子の偏光や電子のスピン状態など、さまざまな材料にエンコードできます。^[34]

量子通信ネットワークのプロトタイプの一例としては、2020年9月に発表された論文に記載されている8ユーザーの都市規模の量子ネットワークがある。ブリストルにあるこのネットワークは、すでに導入されている光ファイバーインフラストラクチャを使用し、アクティブスイッチングや信頼できるノードなしで動作した。^{[36] [37]}

2022年、中国科学技術大学と済南量子技術研究所の研究者らは、都市環境内で互いに12.5km離れた2つのメモリデバイス間の量子もつれを実証した。^[38]

同年、オランダのデルフト工科大学の物理学者は、量子テレポーテーションと呼ばれる技術を使用して、これまでは2か所でしか可能ではなかったデータを3か所の物理的な場所に送信するという技術によって、未来のネットワークに向けて大きな一歩を踏み出しました。^[39]

2024年、英国とドイツの研究者らは、量子情報の生成、保存、検索に初めて成功しました。このマイルストーンは、量子ドット光源と量子メモリシステムのインターフェースを実現したもので、長距離での量子情報の損失などの課題にもかかわらず、実用的なアプリケーションへの道を開いたものです。^[40]

2021年、ドイツのマックス・プランク量子光学研究所の研究者らは、分散型量子コンピュータ用の量子論理ゲートの最初のプロトタイプを報告した。^{[41] [42]}

ドイツのガルヒングにあるマックスプランク量子光学研究所の研究チームは、赤外線スペクトルマッチングを介して飛行中の量子ビットと安定量子ビットから量子データを転送することに成功している。これには、光ファイバーネットワークで見られる赤外線波長の共鳴マッチングを実現するために、鏡面環境でエルビウムを挟むための高度な過冷却イットリウムケイ酸塩結晶が必要である。研究チームは、このデバイスがデータ損失なしで動作することを実証することに成功した。^[43]

2021年、中国の研究者らは、モバイル量子ネットワークや柔軟なネットワーク拡張の開発のためのノードとして使用されるドローン間での量子もつれ光子の伝送に成功したと報告した。これは、2つの移動デバイス間で量子もつれ粒子が送信された最初の研究となる可能性がある。 ^{[44] [45]また、量子通信を応用して、}量子もつれによる共同検出とデータ転送のための6Gモバイルネットワークを改善する研究が行われており、^{[46] [47]}セキュリティやエネルギー効率などの利点が期待されている。^[48]

量子鍵配布のタスクに合わせて、短距離（ただし多数のユーザーを接続）または信頼できるリピーターに依存した長距離で調整されたテスト ネットワークがいくつか導入されています。これらのネットワークでは、量子ビットのエンドツーエンドの送信や、遠く離れたノード間のエンタングルメントのエンドツーエンドの作成はまだ許可されていません。

DARPA 量子ネットワーク

2000年代初頭から、DARPAは安全な通信を実現することを目的とした量子ネットワーク開発プロジェクトのスポンサーシップを開始しました。DARPA量子ネットワークは2003年後半にBBNテクノロジー研究所内で運用を開始し、2004年にはハーバード大学とボストン大学のノードを含むようにさらに拡張されました。ネットワークは、位相変調レーザーとエンタングルメント光子をサポートする光ファイバーと自由空間リンクを含む複数の物理層で構成されています。^{[49] [50]}

SECOQC ウィーン QKD ネットワーク

2003年から2008年にかけて、量子暗号に基づく安全な通信（SECOQC）プロジェクトは、ヨーロッパの多くの機関間の共同ネットワークを開発しました。SECOQCプロジェクトに選ばれたアーキテクチャは、デバイス間のポイントツーポイントの量子リンクで構成される信頼できるリピーターアーキテクチャであり、リピーターを使用して長距離通信が実現されます。^[51]

中国の階層的ネットワーク

2009年5月、中国の蕪湖で階層型量子ネットワークが実証された。階層型ネットワークは、多数のサブネットを接続する4つのノードのバックボーンネットワークで構成される。バックボーンノードは光スイッチング量子ルーターを介して接続される。各サブネット内のノードも光スイッチを介して接続され、信頼できるリレーを介してバックボーンネットワークに接続されている。^[52]

ジュネーブ地域ネットワーク（SwissQuantum）

SwissQuantumネットワークは、2009年から2011年にかけて開発され、テストされ、CERNの施設とジュネーブ大学、ジュネーブのhepiaを結び付けました。SwissQuantumプログラムは、SECOQCやその他の研究用量子ネットワークで開発された技術を生産環境に移行することに重点を置いていました。特に、既存の通信ネットワークとの統合、およびその信頼性と堅牢性に重点が置かれていました。^[53]

東京QKDネットワーク

2010年、日本と欧州連合のいくつかの組織が東京QKDネットワークを構築し、テストしました。東京ネットワークは既存のQKD技術を基盤とし、SECOQCのようなネットワークアーキテクチャを採用しました。初めて、安全な音声会議やビデオ会議などの一般的なエンドユーザーアプリケーションをサポートするのに十分なデータレートでワンタイムパッド暗号化が実装されました。これまでの大規模QKDネットワークでは、通常、高速データ転送にはAESなどの古典的な暗号化アルゴリズムを使用し、低速データや古典的な暗号化アルゴリズムの定期的な鍵交換には量子導出キーを使用していました。^[54]

北京-上海幹線

2017年9月、中国の北京と上海の間に2000kmの量子鍵配送ネットワークが正式に開通した。この幹線は、北京、上海、山東省済南、安徽省合肥の量子ネットワークを接続するバックボーンとして機能する。開通式では、交通銀行の従業員2人がこのネットワークを使用して上海から北京への取引を完了した。中国国家電網公司もこのリンクの管理アプリケーションを開発している。^[55]この回線は、32の信頼できるノードをリピーターとして使用します。^[56]また、中国中部の湖北省の省都である武漢でも量子通信ネットワークが稼働しており、この幹線に接続される予定である。揚子江沿いの他の同様の都市量子ネットワークがこれに続く予定である。^[57]

2021年、このネットワークのネットワークに取り組んでいる研究者は、信頼できるリレー構造を使用して700本以上の光ファイバーと2つのQKD地上衛星リンクを組み合わせ、ノード間の総距離が最大約4,600kmに達し、地球最大の統合量子通信ネットワークになったと報告しました。^{[58] [59]}

アイキューネット

IQNET（インテリジェント量子ネットワークおよびテクノロジー）は、2017年にカリフォルニア工科大学とAT&Tによって設立されました。両社は、フェルミ国立加速器研究所やジェット推進研究所と協力しています。^[60] 2020年12月、IQNETはPRX Quantumに、44 kmの光ファイバーを介した時間ビン量子ビットのテレポーテーションの成功を報告する論文を発表しました。^[61]発表された論文には、初めて実験装置の理論モデルが含まれています。実施された測定の2つのテストベッドは、カリフォルニア工科大学の量子ネットワークとフェルミ国立加速器研究所の量子ネットワークでした。この研究は、安全な通信、データストレージ、精密センシング、コンピューティングの分野に革命をもたらす将来の量子インターネットを確立するための重要なステップを表しています。 ^[62]

• 量子力学
• 量子コンピュータ
• 量子バス

• https://web.archive.org/web/20090716121402/http://itvibe.com/news/2583/
• http://www.vnunet.com/vnunet/news/2125164/first-quantum-computr-network-goes-online ^{[永久リンク切れ‍ ]}
• エリオット、チップ (2004)。「DARPA 量子ネットワーク」。arXiv : quant -ph/0412029。
• http://www.cse.wustl.edu/~jain/cse571-07/ftp/quantum/
• https://web.archive.org/web/20141229113448/http://www.ipod.org.uk/reality/reality_quantum_entanglement.asp