上接： 【量子技术现在时】（一）综述：在需求众多的广泛领域获得飞跃发展
【量子技术现在时】（二）超导量子，利用折纸结构的新型电路实现集成化
【量子技术现在时】（三）半导体量子，自由操控两个电子自旋
【OVERVIEW】量子计算机实现后，终端会通过量子网络连接起来，在实现收发海量信息的同时，量子计算机群的整体能力也将呈指数级增长。为了实现这一目标，目前正在推进开发利用遍布世界各地的光纤进行的量子通信技术。大阪大学量子信息・量子生命研究中心特任教授（现东京大学特命教授室特命教授）井元信之成功证实了量子中继器的原理，长距离的条件下也能抑制因光损耗而出现的传输速度下降问题，实现光子的量子态传输，面向实现“全球量子网络”迈出了坚实的步伐。
井元信之
大阪大学量子信息・量子生命研究中心特任教授
（现东京大学特命教授室特命教授）
2016～2021年度CREST研究项目负责人
在英国见证概念的诞生
恼人的量子成为开拓可能性的关键
支撑了当今信息社会的是以互联网为标志的信息通信技术的发展。其中，能够大容量、高速传输信息的光纤网发挥着重要作用。另一方面，随着信息社会的发展，作为安全性高的通信手段，人们对量子通信的关注日益高涨。
在量子通信中，基于量子力学的“既是0又是1”的叠加态量子比特被作为信息单位。在量子比特之间，当一个量子比特态被确定后，另外的量子比特态也会随之确定，这种现象便是量子力学特有的“量子纠缠”现象，量子信息就是基于这种现象进行传输的。因此，要想构建使用光纤的量子网络，除了传统的光通信技术之外，还需要对应量子信息的新技术。
具体做法是，将位于远距离两侧的发送端和接收端之间分成多个短距离区间，用量子中继将各个区间两端的纠缠连接起来，形成发送端和接收端之间的长距离纠缠，然后利用这些纠缠将发送端的量子信息一次性传送到接收端。此时，为了在所有区间同时形成纠缠就要不断重复这个过程，就像没有中继的情况那样，等待时间会随着距离呈指数性增加。但是，如果对成功形成纠缠的区间保留纠缠，对尚未形成纠缠的区间重复形成的过程，等待时间就可以由指数减少为距离的多项式。
要做到这一点，就需要拥有在不破坏量子信息的条件下用光来读写的技术、在信息传输过程中临时保管纠缠状态的量子中继器，以及接收信息的量子接收器等与目前的光通信设备原理完全不同的设备和系统。推进这种“长距离量子网络”研究的是大阪大学量子信息・量子生命研究中心的井元信之特任教授（现东京大学特命教授）。
井元教授于1977年加入日本电报电话公社（现NTT），并一直在武藏野通信研究所从事光通信研究。NTT自1980年代中期以来一直在完善光纤网络，井元教授通过光波复用通信等技术革新，为信息网络的进步做出了贡献。之后，在1985年左右，他又开始研究量子干扰对光通信的不利影响。
井元教授为了解决量子的不利影响，开始真正投入量子研究的契机是1990年发生在英国埃塞克斯大学的一件事情。井元教授介绍说:“我非常幸运地在那里见证了量子计算机和量子密码概念的诞生。尽管我在学生时代就对量子力学感兴趣，但这两个概念的诞生，使我重新意识到了它的有趣！于是，我开始了量子信息处理的研究”。曾经恼人的量子反而成为了开拓新型光通信可能性的关键。2004年，井元先生就任大阪大学教授，继续从事实现长距离量子网络的基础研究。
转换成适合光通信的波长
成功实现10公里传送
基于取得的研究成果，井元教授组建了一个以大阪大学为中心的研究团队，于2016年起在CREST开展了“实现全球量子网络”为主题的研究项目。该研究的主要目标是研究长距离量子网络中的关键技术“量子中继”的要素技术。目前在长距离光纤网络中，每隔几十公里就要安装一个中继器，存储传送来的信息，并将衰减的光信号增幅后再发送出去。在量子通信中，这些中继器必须更换成量子通信中继器。
在量子中继中，起到存储信息作用，向存储器读写信息时使用的是780nm（1nm为十亿分之一米）可见光附近的短波。如果直接进行光纤传输信息的话，就会遭遇光信号极速衰减的瓶颈。
为此，研究团队开发了一种高性能的波长转换器，可将从量子存储器读取信息的可见光转换成为不破坏量子信息、且适合光通信的1,522nm近红外光。2016年，研究团队使用冷却铷原子的量子存储器，将量子信息转换为近红外光并在光纤网络中传送，确认可以在保持量子信息的同时读写信息（图1）。
图1.铷原子云量子比特发生器（左）和表示电子云形成的亮点（右）。
实验装置配备了用于真空捕获量子比特的铷原子云的玻璃单元，用于形成捕获磁场的线圈和原子供应源（左）。红外相机拍摄到的代表在真空玻璃单元中形成了原子云的亮点。这个小光团起到一个量子比特的作用。今后，将开发能够捕获更多的微小光团“原子芯片”，实现多量子比特聚集。
该成果进一步发展后，2018年又实现了“无偏光依存型波长转换器”，通过波长转换器和光学干扰仪的一体化，可以在不改变光子偏光状态的前提下将光信号转换为通信频带的波长（图2）。此外，通过转化钙离子发出的光子的波长，在保持其量子特性的状态下，实现了10km以上的长距离量子通信，创造了当时世界上最长距离的量子通信记录。井元教授表示：“由此，实际验证了利用光纤网络，在远距离相隔的原子存储器之间可以形成量子网络，并实现长距离的安全通信。”
图2.由无偏光依存型波长转换器构成的量子网络
验证实验中，新开发的波长转换器将光子的波长转换为光纤通信波长，并确认到由冷却原子构成的量子存储器和光纤通信波长的光子之间形成了量子网络。由此，在量子比特存储器（由近可见光子构成的读写原子云）和通信用量子比特（近可见光倍波长的光子）之间能够自由形成量子纠缠。
紧接着在2019年，研究团队又在世界上首次成功验证了完全由光学器件组成的“全光量子中继”的原理，获得了有助于实现高速、低功耗“全球量子网络”的重大科研成果。此外，还验证了由量子纠缠首次实现的“时间逆转”这一全新原理，同时，还在世界上首次实施了在量子中继所必须的两个粒子的纠缠状态中哪种状态为最大的“自适应贝尔测量”，从而引发了强烈反响。
井元教授总结道：“虽然还有例如网络构架、无损耗集成光路和量子纠缠光源的研发，以及对应高效通信的量子接收器等等很多课题亟待解决，但我相信，此前的一系列的研究已经向全球量子网络时代迈出了重要的一步。”
量子通信是一项不仅给光纤网络，还给卫星通信等无线通信领域也会带来巨大变革的技术革新，目前，量子加密通信技术已经逐步实用化，今后，作为支持社会基础设施的技术，其重要性将会进一步提高。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews 2022年9月号
翻译：JST客观日本编辑部
