横国大など、量子通信の長距離化を実現する中継技術を開発

横浜国立大学(横国大)は11月24日、完全な情報セキュリティを保証する量子通信長距離化に必須な中継器要素技術の開発に成功したと発表した。

同成果は、同大学大学院工学研究院 堀切智之 准教授、米スタンフォード大学 山本喜久 名誉教授グループ Leo Yu 博士、Chandra Natarajan 博士ら、および国立情報学研究所、独Wurzburg大学などの研究グループによるもので、11月24日付けの英科学誌「Nature Communications」に掲載された。

完全な情報セキュリティを保証する通信方式である量子通信において、現在実証されている最長距離は300km程度。これ以上の長距離化には「量子中継」という中継技術が必要になる。中継には、中継器内の量子メモリー物質と光、遠方の量子メモリー同士の間にエンタングルメントを共有する必要があるが、量子メモリー物質と光のエンタングルメントに関してはその困難さにより、これまで総じて未成熟だった。

また、量子メモリーに吸収される光波長は多くの場合、可視光か近赤外領域にあり、光ファイバーを用いた長距離伝送に有利な通信波長帯には存在しないため、ノイズ極小の波長変換技術が必要となる。これに加えて、量子メモリー間のエンタングルメントを生成し、さらにより遠方の量子メモリー同士にエンタングルメントを生成できるように、異なるメモリーから生じた独立な光子同子が完全に同一な性質を持つ必要がある。

同研究グループは、量子メモリー物質となる量子ドット中の電子スピンと量子相関した光を発生させ、その光を光ファイバー通信に適した通信波長へとノイズを極限まで低下させたまま変換することに成功。その結果、2kmというこれまでで最長の量子メモリーと光との相関を達成した。

また、波長変換用レーザーの波長調整により、長距離光ファイバー伝送後もほかの独立光源との高い干渉性を持たせることにも成功。波長変換時のノイズを従来より3桁以上抑え、干渉する2光源間の波長隔たりは10nm以上を達成した。

同研究は、固体量子メモリー物質と光ファイバーベースのシステムを用いているため、大スケール長距離量子通信の構成要素となる中継技術として有望だという。今後は、量子通信の実験的な限界距離である300kmを克服するため、長距離の量子通信実用化に向けて研究に取り組んでいくとしている。