我が国の量子科技研究は新たな突破を遂げ、量子ネットワークが現実のものとなる可能性が高まっています。

中国科学技術大学のニュースによると、**近日、中国科学技術大学の潘建偉氏とその同僚が、拡張可能な量子ネットワークの研究において重要な突破を達成した。**汪野、万雍、張強、潘建偉などと、済南量子技術研究院、中国科学院上海微システム・情報技術研究所、香港大学、清華大学などの研究者が協力し、**拡張可能な量子リピーターの基本モジュールを構築し、長距離量子ネットワークの実現可能性を示した。同時に、包小輝、徐飛虎、張強、潘建偉などと、済南量子技術研究院、シンガポール国立大学、カナダのウォータールー大学などの研究者が協力し、単一原子ノード間の長距離高忠実度エンタングルメントを実現し、さらに器件非依存量子鍵配送（DI-QKD）の伝送距離を百キロメートル突破し、**この技術の実用化を大きく促進した。これらの成果は、それぞれ北京時間2月3日と6日に、国際的権威ある学術誌『ネイチャー』と『サイエンス』に掲載された。

これらの突破は、「墨子号」量子衛星に続く我が国の量子通信・量子ネットワーク分野におけるもう一つの里程標的成果であり、量子もつれに基づく光ファイバー量子ネットワークが理論から現実へと歩み始めていることを示し、我が国のこの分野における国際的リードをさらに拡大している。

**量子情報科学の究極の発展目標は、高効率で安全な量子ネットワークの構築である：**量子精密測定による情報の高精度感知、量子通信による情報の安全かつ効率的な伝送、量子計算による情報の指数関数的高速処理を実現し、物質世界の認知能力に革命的な飛躍をもたらすことである。量子ネットワークの基本要素は、長距離確定性量子もつれ分配であり、量子もつれに基づき、古典情報の安全な伝送を量子鍵配送（QKD）を通じて実現できるだけでなく、量子テレポーテーションを通じて量子コンピュータとユーザー間の量子情報のやり取りに唯一かつ有効な手段を提供する。

図1. 量子ネットワークの概略図

光ファイバーの固有損失により、量子もつれの伝送効率は距離とともに指数関数的に減衰し、拡張可能な量子ネットワークの構築における最大の課題となっている。例えば、1000キロメートルの標準光ファイバーを直接伝送した場合、光信号は元の強度の10^-20乗（万億兆分の一）にまで減衰し、これは毎秒100億対のもつれ光子を放出しても、平均して300年に一対のもつれを受信できることを意味する。

**量子リピーター方式は、光ファイバー伝送損失の解決に有効な手段である：**例えば、1000キロメートルの光ファイバー回線において、100キロメートルごとにリピーター站を設置し、隣接站間でもつれを生成し、もつれ交換を通じて各区間のもつれをつなぎ合わせることで、遠隔地点間における有効なもつれ分配を実現する。この方式を用いれば、同じ発射速度の光源から毎秒1億対のもつれ光子を受信でき、伝送効率は100億兆倍向上する。したがって、長らく量子リピーターは光ファイバー量子ネットワークの最重要研究方向であった。

図2. 量子リピーターの原理図

（1）隣接リピーター・ノード間（例：AとB、BとCなど）で光子干渉によりもつれを確立。 （2）ノードBでのもつれ交換により、ノードAとC間にもつれを確立し、以降同様に進める。 （3）多段階のもつれ交換によりもつれ距離を段階的に拡大し、最終的に最遠端のノードAとK間にもつれを確立。

1998年に、潘建偉氏とその同僚は国際的に量子もつれの接続を実演した。その後、国内外の研究チームは一連の重要な進展を遂げてきた。しかし、過去30年にわたり解決できなかった重要な技術的課題は、もつれの寿命がもつれを生成するのに必要な時間よりもはるかに短いため、もつれの存続時間内に隣接するもつれを確定的に生成できず、したがってもつれの有効な接続ができないというものであった。これが、量子リピーターの拡張性を著しく制約していた。

この核心的な課題に対し、中国科大の研究チームは、長寿命のイオン量子メモリ、高効率のイオン-光子通信インターフェース、高忠実度の単一光子もつれプロトコルを開発し、長寿命の量子もつれを実現した。もつれの寿命（550ミリ秒）は、もつれを確立するのに必要な時間（450ミリ秒）を大きく上回り、拡張可能な量子リピーターの基本モジュールを構築し、長距離量子ネットワークの実現を可能にした。

図3. 拡張可能な量子リピーターの基本モジュール原理図

（1）実験は長寿命のイオン量子メモリ、高効率の量子周波数変換モジュール、高コントラストの単一光子干渉モジュールから構成される。 （2）もつれ確立速度は2.226Hz、待ち時間は約450ミリ秒。 （3）もつれ寿命は約550ミリ秒。

長距離もつれ分配の直接的な応用は、現実条件下で最高の安全レベルの量子秘密通信を実現することである。従来の量子秘密通信方式は、器件パラメータの正確な較正を必要とし、実用上の不便さを伴った。一方、もつれに基づく「器件非依存量子鍵配送（DI-QKD）」方式は、この制約を突破している：量子器件が完全に信用できなくても、通信双方が十分高品質のもつれを確立し、バールの不等式違反を検証できれば、鍵配送の安全性を厳格に保証でき、器件パラメータの正確な較正は不要となる。これにより、DI-QKDは、2018年のウォルフ賞受賞者であるGilles Brassardにより、「暗号学者が千年にわたり追い求めてきた『聖杯』」と称されている。

しかし、DI-QKDの実験実現には非常に厳しい技術的ハードルがある。遠隔ノード間の量子もつれには、次の条件を満たす必要がある：（1）高い検出効率を持ち、検出器の効率漏洞を効果的に閉じること；（2）高いもつれ忠実度を維持し、バールの不等式違反を十分に顕著に示すこと。長距離光ファイバーの損失やシステムノイズなどの不利な要因により、これまでの国際的な実験は短距離（数メートルから数百メートル）に限定されており、実用的な要求には大きく及ばなかった。

中国科大の研究チームは、拡張可能な量子リピーター技術に基づき、2つのルビジウム原子間の長距離高忠実度もつれをさらに成功させた。最長100キロメートルの光ファイバーリンク上でも、原子ノード間の遠隔もつれ忠実度は90%以上を維持し、国際的な同種実験結果を大きく上回った。この基盤の上に、チームは都市域規模の光ファイバーリンク上で、器件非依存の量子鍵配送を実現した。11キロメートルの光ファイバーリンクで、有限データ量に基づく安全性解析と厳格な証明を完了し、従来の最良結果の約3000倍の伝送距離を達成した。さらに、100キロメートルの光ファイバーリンクで鍵生成の実現可能性を示し、国際的に最良の実験水準を2桁以上上回った。

図4. 百キロメートルDI-QKD実験の概略図

両端のノード内の単一原子はリードベルト単光子生成過程により光子を放出し、長距離光ファイバーを通じて中間ノードに伝送され干渉を起こす。検出された事象により、両端の原子は遠隔もつれ状態に投影され、もつれ分配が実現される。その後、両端の原子にランダム基底測定を行い、測定結果を用いてバールの不等式検証を行い、安全性を確認し、検証後にデータを後処理して安全鍵を生成する。

これらの研究は、国家科技重大プロジェクト、国家自然科学基金委員会、中国科学院、安徽省、合肥市、山東省、済南市、香港研究資金局などの支援を受けている。

（出典：財聯社）