上接： 【量子技術現在時】（一）綜述：在需求衆多的廣泛領域獲得飛躍隊形變換
【量子技術現在時】（二）超導量子，利用摺紙結構的新型電路實施整合化
【量子技術現在時】（三）半導體量子，自由操控兩個電子自旋
【OVERVIEW】量子電腦實施後，終端機會透過量子網路連接起來，在實施收發海量資訊的同時，量子電腦羣的整體能力也將呈指數級增長。爲了實施這一目標，目前正在推進開發利用遍佈世界各地的光纖進行的量子通訊技術。大阪大學量子資訊・量子生命研究中心特任教授（現東京大學特命教授室特命教授）井元信之成功證實了量子中繼器的原理，長距離的條件下也能抑制因光損耗而出現的傳輸速度下降問題，實施光量子的量子態傳輸，面向實施「全球量子網路」邁出了堅實的步伐。
井元信之
大阪大學量子資訊・量子生命研究中心特任教授
（現東京大學特命教授室特命教授）
2016～2021年度CREST研究專案負責人
在英國見證概念的誕生
惱人的量子成爲開拓可能性的關鍵
支撐了當今資訊社會的是以網際網路爲標誌的資訊通訊技術的隊形變換。其中，能夠大容量、高速傳輸資訊的光纖網發揮着重要作用。另一方面，隨着資訊社會的隊形變換，作爲安全高的通訊手段，人們對量子通訊的關注日益高漲。
在量子通訊中，基於量子力學的「既是0又是1」的疊加態量子位元被作爲資訊單位。在量子位元之間，當一個量子位元態被確定後，另外的量子位元態也會隨之確定，這種現象便是量子力學特有的「量子糾纏」現象，量子資訊就是基於這種現象進行傳輸的。因此，要想構建使用光纖的量子網路，除了傳統的光通訊技術之外，還需要對應量子資訊的新技術。
具體做法是，將位於遠距離兩側的發送端和接收端之間分成多個短距離區間，用量子中繼將各個區間兩端的糾纏連接起來，形成發送端和接收端之間的長距離糾纏，然後利用這些糾纏將發送端的量子資訊一次性傳送到接收端。此時，爲了在所有區間同時形成糾纏就要不斷重複這個程序，就像沒有中繼的情況那樣，等候時間會隨着距離呈指數性增加。但是，如果對成功形成糾纏的區間保留糾纏，對尚未形成糾纏的區間重複形成的程序，等候時間就可以由指數減量爲距離的多項式。
要做到這一點，就需要擁有在不破壞量子資訊的條件下用光來讀寫的技術、在資訊傳輸程序中臨時保管糾纏狀態的量子中繼器，以及接收資訊的量子接收器等與目前的光通訊設備原理完全不同的設備和系統。推進這種「長距離量子網路」研究的是大阪大學量子資訊・量子生命研究中心的井元信之特任教授（現東京大學特命教授）。
井元教授於1977年加入日本電報電話術公社（現NTT），並一直在武藏野通訊研究所從事光通訊研究。NTT自1980年代中期以來一直在完善光纖網路，井元教授透過光波多工通訊等技術革新，爲資訊網路絡的進步做出了貢獻。之後，在1985年左右，他又開始研究量子干擾對光通訊的不利影響。
井元教授爲了解決量子的不利影響，開始真正投入量子研究的契機是1990年發生在英國埃塞克斯大學的一件事情。井元教授介紹說:「我非常幸運地在那裏見證了量子電腦和量子密碼概念的誕生。儘管我在學生時代就對量子力學感興趣，但這兩個概念的誕生，使我重新意識到了它的有趣！於是，我開始了量子資訊處理的研究」。曾經惱人的量子反而成爲了開拓新型光通訊可能性的關鍵。2004年，井元先生就任大阪大學教授，繼續操作從事實現長距離量子網路的基礎研究。
轉換成適合光通訊的波長
成功實施10公里傳送
基於取得的研究成果，井元教授組建了一個以大阪大學爲中心的研究團隊，於2016年起在CREST開展了「實施全球量子網路」爲主題的研究專案。該研究的主要目標是研究長距離量子網路中的關鍵技術「量子中繼」的要素技術。目前在長距離光纖網路中，每隔幾十公里就要安裝一個中繼器，存儲傳送來的資訊，並將衰減的燈火信號增幅後再發送出去。在量子通訊中，這些中繼器必須更換成量子通訊中繼器。
在量子中繼中，起到存儲資訊作用，向記憶體讀寫資訊時使用的是780nm（1nm爲十億分之一米）可見光附近的短波。如果直接進行光纖傳輸資訊的話，就會遭遇燈火信號極速衰減的瓶頸。
爲此，研究團隊開發了一種高性能的波長轉換器，可將從量子記憶體擷取資訊的可見光轉換成爲不破壞量子資訊、且適合光通訊的1,522nm近紅外光光。2016年，研究團隊使用冷卻銣原子的量子記憶體，將量子資訊轉換爲近紅外光光並在光纖網路中傳送，應答可以在保持量子資訊的同時讀寫資訊（圖1）。
圖1.銣原子雲量子位元發生器（左）和表示電子雲形成的亮點（右）。
實驗裝置配備了用於真空捕獲量子位元的銣原子雲的玻璃單元，用於形成擷取磁場的線圈和原子供應源（左）。紅外相機拍攝到的代表在真空玻璃單元中形成了原子雲的亮點。這個小光團起到一個量子位元的作用。今後，將開發能夠擷取更多的微小光團「原子芯片」，實施多量子位元聚集。
該成果進一步隊形變換後，2018年又實施了「無偏光依存型波長轉換器」，透過波長轉換器和光學干擾儀的一體化，可以在不改變光量子偏光狀態的前提下將燈火信號轉換爲通訊頻帶的波長（圖2）。此外，透過轉化鈣離子發出的光量子的波長，在保持其量子特性的狀態下，實施了10km以上的長距離量子通訊，創造了當時世界上最長距離的量子通信紀錄簿。井元教授表示：「由此，實際驗證了利用光纖網路，在遠距離相隔的原子記憶體之間可以形成量子網路，並實施長距離的安全通信。」
圖2.由無偏光依存型波長轉換器構成的量子網路
驗證實驗中，新開發的波長轉換器將光量子的波長轉換爲光纖通信波長，並應答到由冷卻原子構成的量子記憶體和光纖通信波長的光量子之間形成了量子網路。由此，在量子位元記憶體（由近可見光子構成的讀寫原子雲）和通訊用量子位元（近可見光倍波長的光量子）之間能夠自由形成量子糾纏。
緊接着在2019年，研究團隊又在世界上首次成功驗證了完全由光學器件組成的「全光量子中繼」的原理，獲得了有助於實施高速、低功耗「全球量子網路」的重大科研成果。此外，還驗證了由量子糾纏首次實施的「時間逆轉」這一全新原理，同時，還在世界上首次實施了在量子中繼所必須的兩個粒子的糾纏狀態中哪種狀態爲最大的「自適應貝爾測量」，從而引發了強烈反響。
井元教授總結道：「雖然還有例如網路構架、無損耗整合光路和量子糾纏光源的研發，以及對應高效通訊的量子接收器等等很多課題亟待解決，但我相信，此前的一系列的研究已經向全球量子網路時代邁出了重要的一步。」
量子通訊是一項不僅給光纖網路，還給衛星通信等無線通信領域也會帶來巨大變革的技術革新，目前，量子加密通訊技術已經逐步實用化，今後，作爲支援社會基礎設施的技術，其重要性將會進一步提高。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀樹）
原文：JSTnews 2022年9月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
