客观日本

横滨国立大学小坂英男教授谈基于量子中继技术的长距离通信

2023年03月13日 信息通信

“希望实现量子互联网”。正在推进日本内阁府Moonshot研发项目“为构筑量子计算网的量子接口开发(QuINT)”和日本总务省以构筑全球量子密码通信网为目标的研发项目“量子中继技术(QuREP)”等项目的横滨国立大学小坂英男教授充满干劲。

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小坂英男教授。1989年京都大学研究生院理学研究科硕士毕业,1999年获得京都大学研究生院工学研究科论文博士。1989年就职于日本电气(NEC)光电子研究所,2003年担任东北大学电气通信研究所副教授,2014年担任横滨国立大学研究生院工学研究院教授,2020年担任横滨国立大学量子信息研究中心负责人。

目前处于量子互联网第二阶段

小坂教授回顾说:“我原本从事半导体激光器的研究,在NEC工作的时候,TAO(原通信与广播机构、信息通信研究机构的前身)中涉及量子中继的项目是我最初接触到量子通信。从那时到现在大约25年的时间里,我一直在以实现量子互联网为目标推进研发。最初的时候,如果跟别人说我是研究量子的,会被取笑是傻瓜。但一步步踏实地走过来,现在再说起来则是被人仰视了。量子计算机受到关注是一个很大的转折点。”

在信息通信领域,通过中继器将长距离传输中衰减的光或电信号放大,以实现长距离的信息传递。例如在光通信中,接收变弱的光,将其转换为电信号,然后通过振荡携带相同信息的激光进行中继。而量子通信则不同。量子通信的一个优点是,如果被窃听,量子状态就会发生变化,因此能够确保安全的通信,但如果量子状态被中继器读取后再次发送,就有可能在中继器环节被窃听。

“量子互联网分为三个阶段:在第一阶段,量子通信只发送量子秘钥,用这个量子密钥来解密通常在互联网上发送的加密信息。这被称作量子密钥配送。这一阶段目前已经实现了,被称作QKD网络,其前提是相信中继器是安全的。第二阶段是用分束器中继量子密钥的QKD系统,目前已经完成了原理验证。第三阶段就是在互联网上交换量子信息,并进行中继。一旦实现了第三阶段,就有可能连接起各地的量子计算机,建立一个巨大的量子计算机。QuINT项目将开发一种融合了量子存储器和光学晶体的量子接口,以连接超导量子比特和通信用光子。QuREP项目正在开发用于长距离通信的量子中继技术。”

汇聚了日本顶级开发力量

为了推进QuINT和QuREP,2020年10月在横滨国立大学内设立了量子信息研究中心,由小坂教授担任中心负责人。该中心除了横滨国立大学的优秀成员之外,还聚集了来自德国的慕尼黑工业大学、乌尔姆大学、萨尔大学,东京大学、信息通信研究机构、物质与材料研究机构、产业技术综合研究所、量子科学技术研究开发机构、东京医科齿科大学、京都大学、理化学研究所等的强有力的研究人员。“现在,已集结了50多人日本顶级的纳米技术团队,例如QuINT项目中就有钻石量子存储器、光学机械谐振器、压电微波谐振器3个研究团队正在推进研发。”

目前已取得了多个成果。例如,通过将钻石量子存储器夹在光子晶体中间,使来自超导量子比特的微波光子保持量子状态并作为光子输出,实际验证了量子接口的原理。“如果要增加超导量子计算机的量子位数,不可避免地会使其体积增大,无法放入冷冻机。因此,通过将量子比特的量子信息转换为光,就有可能将量子计算机连接起来。”

在QuREP项目中,建立了由横滨国立大学为主导,包括东芝、古河电工、浜松光子学在内的产学官紧密合作的团队,目前正在推进量子中继相关基础技术的开发。目标并不是使用分束器的只能中继一次的概率论量子中继,而是能够进行多次中继的决定论量子中继。“我们正在开发使用钻石NV的量子中继技术。荷兰代尔夫特理工大学已经成功实现了强磁场下3个节点之间的钻石量子中继,在量子互联网的基本原理验证方面领先了一步,但我们的方式是在零磁场中获得高保真度,所以我认为我们的方案会更胜一筹。在钻石量子存储器方面,我们已经实现了按需量子中继的基本功能(门操作保真度与时间、电子与光子纠缠生成保真度、存储器保持时间、单事件读出保真度、量子纠错保真度等)已经达到了最初制定的目标。目前的研发工作是使各个功能联动,整体作为量子中继器运转,以提高比特率。”

也在积极培养人才

小坂教授还在积极地致力于人才培养。除了积极支援以从事量子物理的年轻研究者和学生为主体的研究会、信息通信研究机构的人才培养计划等之外,还在横滨国立大学举办体验活动,让本科生尽早进入研究室,接触最尖端的研究。此外,由他担任委员长的应用物理学会量子信息工学研究会除了每年召开2次研讨会以外,还为登月型研究项目的年轻成员创办的量子互联网工作组提供帮助。“目前日本的量子研究的中心,还是包括我在内的这些老人,所以必须培养年轻人。但是,由于大学里没有足够的环境来制作东西,所以只能进行模拟后进行设计,但加工就得靠外包。如果日本真的想要恢复竞争力,我认为有必要在各大学建立起能自己制作装置、反复进行实验的环境。”

原文:《科学新闻》
翻译:JST客观日本编辑部