量子ネットワーク

ネットワーク型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、量子ネットワークを介して複数の量子プロセッサを相互に量子ビットを送信することで接続します。これにより量子コンピューティングクラスタが作成され、計算能力が向上します。このようにして、より性能の低いコンピュータを接続することで、より強力なプロセッサを作成できます。これは、古典コンピューティングで複数の古典コンピュータを接続してコンピュータクラスタを形成するのと類似しています。古典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離れていません。

量子通信の分野では、量子ビットをある量子プロセッサから別の量子プロセッサへ長距離にわたって送信することが求められます。 ^{[ 3 ]}この方法で、ローカル量子ネットワークを相互接続して量子インターネットを構築できます。量子インターネット^{[ 1 ]}は、量子もつれ状態の量子ビットを生成することで、遠隔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その力を得る多くのアプリケーションをサポートします。量子インターネットのほとんどのアプリケーションは、非常に小型の量子プロセッサしか必要としません。量子暗号における量子鍵配送など、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つの量子ビットだけを準備および測定できれば十分です。これは、量子コンピューティングとは対照的です。量子コンピューティングでは、(結合された)量子プロセッサが古典コンピュータ(約60 ^{[ 4 ]} )よりも多くの量子ビットを容易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が実現できます。量子インターネットのアプリケーションは、小さな量子プロセッサ、多くの場合1つの量子ビットだけで十分です。なぜなら、量子もつれは2つの量子ビット間でも実現できるからです。古典コンピュータ上で量子もつれシステムをシミュレーションしても、同じセキュリティと速度を同時に実現することはできない。

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的な構造は、古典的なネットワークと類似しています。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つの量子ビットを持つ量子プロセッサです。量子インターネットのアプリケーションによっては、エンドノードに複数の量子ビットを持つ量子プロセッサと量子メモリが必要となる場合もあります。

第二に、量子ビットをあるノードから別のノードへ伝送するには、通信回線が必要です。量子通信には、標準的な通信用光ファイバーを使用できます。量子プロセッサが短距離で接続されるネットワーク型量子コンピューティングでは、量子プロセッサの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。

第三に、通信インフラを最大限に活用するためには、量子ビットを目的の量子プロセッサに伝送できる光スイッチが必要となる。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、そのため標準的な光スイッチよりも実現が困難である。

最後に、量子リピーターは量子ビットを長距離にわたって伝送するために必要です。リピーターはエンドノードの間に現れます。^{[ 5 ]}量子ビットはコピーできないため（クローン禁止定理）、古典的な信号増幅は不可能です。必然的に、量子リピーターは古典的なリピーター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送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シンプルなデバイスになります。

しかし、多くのプロトコルでは、より高度な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、量子リピーターとしても使用できる。その主な利点は、基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、磁場中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一つの方法は、窒素空孔中心などのダイヤモンド中のカラーセンターを使用することです。このシステムは、複数の量子ビットを備えた小型量子プロセッサを形成します。NV中心は室温で使用できます。^{[ 5 ]}このシステムでは、小規模な量子アルゴリズムと量子誤り訂正^{[ 6 ]が既に実証されており、2つ[ 7 ]}および3つ^{[ 8 ]}の量子プロセッサをエンタングルさせ、決定論的な量子テレポーテーションを実行する能力も実証されています。^{[ 9 ]}

別の可能性のあるプラットフォームは、無線周波数磁場とレーザーを利用するイオントラップに基づく量子プロセッサです。 ^{[ 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した光子を使用して、異なるノードをエンタングルします。^{[ 10 ]}また、キャビティ量子電磁力学（キャビティQED）も、これを行う可能性のある方法の1つです。キャビティQEDでは、光子量子状態を、光キャビティ内の単一原子に格納された原子量子状態との間で転送できます。これにより、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るだけでなく、遠く離れた原子間で遠隔エンタングルメントを作成することもできます。^{[ 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、大気中または真空中で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 ]}

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。古典的な通信では、伝送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、量子ビットは複製できないため（クローン禁止定理として知られています）、増幅器を使用することはできません。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ますが、これは望ましくなく、また不可能です。

量子リピーター

真の量子リピーターは、量子もつれのエンドツーエンド生成を可能にし、それによって量子テレポーテーションを用いて量子ビットのエンドツーエンド伝送を実現します。量子鍵配送プロトコルでは、このようなもつれをテストできます。つまり、暗号鍵を作成する際、送信者と受信者は量子リピーターを信頼していなくても安全です。量子インターネットのその他のアプリケーションもすべて、量子ビットのエンドツーエンド伝送を必要とするため、量子リピーターが必要となります。

量子リピーターは量子もつれを可能にし、もつれた量子ビットを物理的に全距離送信することなく、遠隔ノードで確立することができる。^{[ 19 ]}

この場合、量子ネットワークは、数十キロメートルから数百キロメートル程度の多数の短距離リンクで構成されます。最も単純な単一のリピーターの場合、2組の量子もつれ状態が確立されます。${\displaystyle |A\rangle }$そして${\displaystyle |R_{a}\rangle }$送信機と中継器に配置され、2番目のペアが${\displaystyle |R_{b}\rangle }$そして${\displaystyle |B\rangle }$リピーターとレシーバーに配置されます。これらの初期のエンタングルした量子ビットは、例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生成でき、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、リピーターは量子ビットに対してベル測定を実行できます。${\displaystyle |R_{a}\rangle }$そして${\displaystyle |R_{b}\rangle }$こうして量子状態をテレポートする${\displaystyle |R_{a}\rangle }$に${\displaystyle |B\rangle }$これは、エンタングルメントを「交換」する効果があり、${\displaystyle |A\rangle }$そして${\displaystyle |B\rangle }$それらは現在、最初のエンタングルペアの2倍の距離でエンタングルしている。このようなリピーターのネットワークは、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る。^{[ 20 ] [ 21 ]}

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。しかし、量子ゲートを実行する機能はなく、リピーターとしてのみ機能するハードウェアプラットフォームも存在します^{[ 22 ] 。}

どのような形態のコミュニケーションにおいても、最大の課題は常にこれらのコミュニケーションのプライバシーを維持することである。^{[ 33 ]}量子ネットワークは情報の作成、保存、送信を可能にし、潜在的に「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、計算能力」を実現する可能性がある。^{[ 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、送信者と受信者のどちらにも知られることなく、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古典的な情報とは異なり、量子ネットワークで使用される量子情報は、重ね合わせの状態にある量子ビット (キュービット) を使用します^。これ^は、傍受^{者が傍受しようとすると、傍受によって意図しない方法で情報が変更され、攻撃対象者に手の内を明かすことになるからです}。第二に、情報を復号するための適切な量子演算子がないと、送信された情報を破損し、それを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 ]}

プロトタイプの量子通信ネットワークの一例として、2020年9月に発表された論文で説明されている8ユーザー規模の都市型量子ネットワークがある。ブリストルに設置されたこのネットワークは、既に展開されている光ファイバーインフラを使用し、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用いて、これまで2か所でしか不可能だったデータを3か所の物理的な場所に送信することで、未来のネットワークに向けて大きな一歩を踏み出した。^{[ 39 ]}

2024年、英国とドイツの研究者たちは、量子情報の生成、保存、および取得に初めて成功した。この画期的な成果は、量子ドット光源と量子メモリシステムを接続することによって達成され、長距離での量子情報の損失などの課題にもかかわらず、実用化への道を開いた。^{[ 40 ]}

2025年2月、オックスフォード大学の研究者らは、光子的に相互接続された2つのトラップイオンモジュール間で量子計算を分散させることを実験的に実証した。各モジュールには専用のネットワークおよび回路量子ビットが含まれており、それらは約2メートル離れて配置されていた。研究チームは、別々のモジュールに配置された2つの回路量子ビット間で制御Zゲートの決定論的テレポートを実現し、86%の忠実度を達成した。この実験はまた、複数の非局所2量子ビットゲート、具体的にはグローバーの探索アルゴリズムからなる分散型量子アルゴリズムの最初の実装でもあり、71%の成功率で実行された。これらの進歩は、スケーラブルな量子コンピューティングと量子インターネットの開発に向けた大きな進歩を表している。^{[ 41 ]}

ダイヤモンド中の窒素空孔中心に基づく遠隔固体量子ビットレジスタ間の決定論的テレポートCNOTゲートも実証されており、分散ゲート操作を固体プラットフォームに拡張している。^{[ 42 ]}

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。^{[ 43 ] [ 44 ]}

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状態の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超冷却イットリウムシリケート結晶が必要となる。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した。^{[ 45 ]}

2021年、中国の研究者らは、モバイル量子ネットワークの開発や柔軟なネットワーク拡張のノードとして使用されるドローン間で、もつれた光子の伝送に成功したと報告した。これは、もつれた粒子が2つの移動デバイス間で送信された最初の研究である可能性がある。 ^{[ 46 ] [ 47 ]}また、量子もつれによる共同検出とデータ転送のために6Gモバイルネットワークを改善する量子通信の応用が研究されており、^{[ 48 ] [ 49 ]}セキュリティやエネルギー効率などの利点がある可能性がある。^{[ 50 ]}

量子鍵配送というタスクに特化したテストネットワークがいくつか展開されており、それらは短距離（ただし多数のユーザーを接続）または信頼できる中継器を利用することで長距離にわたるものとなっている。これらのネットワークは、量子ビットのエンドツーエンド伝送や、遠く離れたノード間でのエンタングルメントのエンドツーエンド生成をまだ実現できていない。

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 Technologies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めるようにさらに拡張されました。このネットワークは、位相変調レーザーとエンタングルド光子をサポートする光ファイバーや自由空間リンクなど、複数の物理層で構成されています。^{[ 51 ] [ 52 ]}

SECOQCウィーンQKDネットワーク

2003年から2008年にかけて、量子暗号に基づくセキュア通信（SECOQC）プロジェクトは、多数のヨーロッパ機関間の協力ネットワークを構築しました。SECOQCプロジェクトで採用さ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。^{[ 53 ]}

中国の階層型ネットワーク

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。この階層型ネットワークは、複数のサブネットを接続する4つのノードからなるバックボーンネットワークで構成されている。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ている。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。^{[ 54 ]}

ジュネーブ地域ネットワーク（SwissQuantum）

2009年から2011年にかけて開発・テストされたSwissQuantumネットワークは、CERNの施設とジュネーブ大学およびジュネーブのhepiaを結びました。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実用環境に移行することに重点を置いていました。特に、既存の電気通信ネットワークとの統合、信頼性、堅牢性に重点が置かれていました。^{[ 55 ]}

東京QKDネットワーク

2010年、日本と欧州連合の複数の組織が東京QKDネットワークを構築し、テストを行った。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た。初めて、ワンタイムパッド暗号化が、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実装された。従来の大規模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再鍵化には量子由来の鍵を使用していた。^{[ 56 ]}

北京・上海幹線

2017年9月、中国の北京と上海を結ぶ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名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。^{[ 57 ]}この回線は、32の信頼できるノードを中継器として使用している。^{[ 58 ]}中国中部湖北省の省都武漢でも量子通信ネットワークが運用されており、幹線に接続される予定である。長江沿いの他の都市でも同様の量子ネットワークが計画されている。^{[ 59 ]}

2021年、このネットワークのネットワークに取り組む研究者たちは、信頼できる中継構造を使用して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、地球上で最大の統合量子通信ネットワークになったと報告した。^{[ 60 ] [ 61 ]}

IQNET

IQNET (Intelligent Quantum Networks and Technologies) は、2017 年にCaltech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およびジェット推進研究所と共同で研究を行っています。^{[ 62 ]} 2020 年 12 月、IQNET は PRX Quantum 誌に、44 km の光ファイバーを介したタイムビン量子ビットのテレポートに成功したことを報告した論文を発表しました。^{[ 63 ]}この論文には、実験セットアップの理論的モデルが初めて含まれています。測定に使用された 2 つのテストベッドは、Caltech Quantum Network と Fermilab Quantum Network 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未来の量子インターネットを確立するための重要な一歩となります。^{[ 64 ]}