JP4162687B2

JP4162687B2 - 量子情報通信システム、量子情報中継装置、量子情報通信方法およびプログラム

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Publication number: JP4162687B2
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Inventors: 憲一郎古田
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Description

本発明は、多者間で量子情報中継を利用して長距離の量子情報通信を行う量子情報通信システム、量子情報中継装置、量子情報通信方法およびプログラムに関する。

強力な暗号プリミティブとして提案されている量子鍵配送において、安全性を保証するためには、送信する信号の強度を十分に小さくしておく必要がある。信号強度が微弱であることには高い安全性を確保することができる一方、短い通信距離で量子状態が減衰するという問題がある。また、量子状態としての信号は、正確な観測基底を知らない場合には、複製できないという特徴も有しているため、一度、信号を読み取って新たに信号を生成することによって、信号の減衰を回復することができず、量子状態としての信号を増幅することは非常に困難となっている。このため、量子情報中継の技術が提案されている。

量子情報中継は、量子状態としての信号を遠隔地まで高い忠実度で送信する技術であり、エンタングルメントスワッピング（ＥＳ：entanglement Swapping）によって互いにもつれ合った光子対であるＥＰＲ対の長さを伸張し、エンタングルメント純粋化プロトコル（ＥＰＰ：Entanglement Purification Protocol）によって忠実度を回復するという２つの操作を繰り返すことによって、ＥＰＲ対の長さを徐々に伸張していきつつ、忠実度を確保する技術である。ここで、忠実度とは、減衰後の量子状態が減衰前の量子状態にどの程度近いかを示す指標である。

より具体的には、量子情報中継プロトコルは以下の手順で進行する。まず、各中継地点において、ＥＰＲ対を発生させて、ＥＰＲ対の一方の光子を隣接する中継地点に送信する。これにより、隣り合った中継地点の間でＥＰＲ対が共有される。この後、ＥＳによりＥＰＲ対をつなぎ合わせる。隣接する地点間でのＥＰＲ対の共有やＥＳ操作の際に忠実度が低下するが、このように低下した忠実度をＥＰＰにより向上させる。そして、送信者と受信者との間でＥＰＲ対が共有されるまでＥＳ及びＥＰＰを繰り返し実行する。このようにしてＥＰＲ対は送信者と受信者との間で共有され、量子状態としての信号を遠隔地まで高い忠実度で送信することができる（例えば、非特許文献１参照）。

H.J. Briegel et.al. Quantum repeaters:The role of imperfect local operations in quantum communication.Phys.Rev.Lett.,Vol.81,No.26,pp.5932, 1998.

しかしながら、このような量子情報中継の技術では、次のような問題点がある。量子情報中継においては古典通信が使用されるが、ＥＰＲ対は、古典通信を行っている間は中継地点にある量子メモリ内に保存されることになる。量子メモリ内に保存されたＥＰＲ対の量子状態の忠実度は時間とともに減衰するため、保存時間の増加は共有されるＥＰＲ対の忠実度の低下につながってくる。このため、共有されるＥＰＲ対の忠実度を高めるためには、古典通信の時間をできるだけ短くする必要がある。

また、量子情報中継で使用する量子情報中継器には、小規模な量子計算機や量子メモリが搭載される。これらの量子計算機や量子メモリは古典通信路に用いられる光ファイバーや古典信号の増幅器に比べて高価であるため、量子情報中継器を古典通信路が存在する全ての経路に設置すると、ネットワーク構築のためのコストが増大してしまう。このため、実際にネットワークを構築する際には中継器を備えた量子情報通信路の密度は古典通信路に比べて疎になると考えられる。従って、量子情報通信路は、必然的に古典通信路の最短距離に比べて遠回りとなってしまう。この場合、上述したように、信号の安全性を確保することが困難となるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、量子情報中継を使用した量子情報通信において、受信者に対して量子状態の忠実度を維持しつつ、安全性を確保することができる量子情報通信システム、量子情報中継装置、量子情報通信方法およびプログラムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、送信ノードから受信ノードまでの古典通信路または量子情報通信路に設けられ、前記送信ノードから前記受信ノードへの光子の量子情報通信の際に、もつれ合った光子対であるＥＰＲ対を他のノードと共有し、前記ＥＰＲ対の各光子間の距離を伸張する量子中継を行う複数の量子情報中継装置とを備えた量子情報通信システムであって、前記量子情報中継装置のそれぞれは、前記ＥＰＲ対を生成するＥＰＲ対生成手段と、生成された前記ＥＰＲ対の一方の光子を隣接するノードの前記量子情報中継装置に送信する光子送信手段と、隣接するノードの前記量子情報中継装置との間で、前記ＥＰＲ対を共有するエンタングルメント交換処理を実行するエンタングルメント交換実行手段と、前記エンタングルメント交換処理によって共有した前記ＥＰＲ対の共有先のノードの前記量子情報中継装置との間で、前記ＥＰＲ対の忠実度を回復するための処理であるエンタングルメント純粋化プロトコル処理を実行するエンタングルメント純粋化プロトコル実行手段と、を備え、前記エンタングルメント純粋化プロトコル手段は、前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理のうち最後の前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理を実行する場合に、最後に実行された前記エンタングルメント交換処理および当該エンタングルメント交換処理以前に実行された前記エンタングルメント交換処理で使用された古典通信路、および以前に実行された前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理で使用された古典通信路のうちのいずれか１つ以上と異なる古典通信路を選択することを特徴とする。

また、本発明は、送信ノードから受信ノードまでの古典通信路または量子情報通信路に設けられ、前記送信ノードから前記受信ノードへの光子の量子情報通信の際に、もつれ合った光子対であるＥＰＲ対を他のノードと共有し、前記ＥＰＲ対の各光子間の距離を伸張する量子中継を行う量子情報中継装置であって、前記ＥＰＲ対を生成するＥＰＲ対生成手段と、生成された前記ＥＰＲ対の一方の光子を隣接するノードの前記量子情報中継装置に送信する光子送信手段と、隣接するノードの前記量子情報中継装置との間で、前記ＥＰＲ対を共有するエンタングルメント交換処理を実行するエンタングルメント交換実行手段と、前記エンタングルメント交換処理によって共有した前記ＥＰＲ対の共有先のノードの前記量子情報中継装置との間で、前記ＥＰＲ対の忠実度を回復するための処理であるエンタングルメント純粋化プロトコル処理を実行するエンタングルメント純粋化プロトコル実行手段と、を備え、前記エンタングルメント純粋化プロトコル実行手段は、前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理のうち最後の前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理を実行する場合に、最後に実行された前記エンタングルメント交換処理および当該エンタングルメント交換処理以前に実行された前記エンタングルメント交換処理で使用された古典通信路、および以前に実行された前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理で使用された古典通信路のうちのいずれか１つ以上と異なる古典通信路を選択することを特徴とする。

本発明によれば、量子情報中継を使用した量子情報通信において、受信者に対して量子状態の忠実度を維持しつつ、安全性を確保することができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる量子情報通信システム、量子情報中継装置、量子情報通信方法およびプログラムの最良な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１にかかる量子情報通信システムは、従来、送信者と受信者とを結ぶ全区間にわたって量子情報中継装置を結ぶ経路と古典通信路が一致していたのに対して、量子情報中継装置を結ぶ経路よりも短い経路で古典通信が可能になる場合には当該古典通信の経路を選択することにより通信を実現するものである。

図１は、実施の形態１にかかる量子情報通信システムのネットワーク構成を示すブロック図である。図１に示すように、実施の形態１にかかる量子情報通信システムは、複数の量子情報中継装置１００が光ファーバー１４０で接続された構成となっている。かかる光ファイバー１４０によって構成されるネットワークは、古典通信路と量子情報通信路の双方で構成されている。

量子情報中継装置１００は、送信ノードから受信ノードまでの古典通信路または量子情報通信路に設けられ、前記送信ノードから前記受信ノードへの光子の量子情報通信を中継するものである。ここで、本実施の形態では、量子情報中継装置１００自体が送信ノードおよび受信ノードとなる構成となっている。

量子情報中継装置１００は、図１に示すように、制御用古典計算機１１０と中継器１２０とを備えている。制御用古典計算機１１０は、ＣＰＵやメモリ等を備えた通常のコンピュータの構成となっている。

図２は、実施の形態１にかかる中継器１２０の機能的構成を示すブロック図である。中継器１２０は、図２に示すように、ＥＰＲ対生成ユニット１２１と、光子入力ユニット１２２と、光子−固体ＥＩＴ間変換ユニットと、内部にメモリ１２５を備えた光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４と、光子送信ユニット１２６とを主に備えている。

ＥＰＲ対生成ユニット１２１は、ＥＰＲ対を生成するものであり、光子対を発生するデバイスを用いることができる。ここで、ＥＰＲ対とは、もつれあった光子対である。２つの光子のもつれ合いの度合いが最も大きいのは２光子がベル状態の場合である。ベル状態とは、次の（１）〜（４）式で表される４つの状態である。なお、ベル状態を基底として２光子に対して行う観測をベル合同測定という。

ここで、｜０＞は光子の偏光が０度の状態であり、｜１＞は光子の偏光が９０度の状態である。また、（１／√２）（｜０＞＋｜１＞）は光子の偏光が４５度の状態であり、（１／√２）（｜０＞−｜１＞）は光子の偏光が１３５度の状態である。

光子対を発生するデバイスの詳細については、技術文献「R.M. Stevenson, R.J. Young, P. Atkinson, K. Cooper, D.A. Ritchie, and A.J. Shields. A semiconductor wource of triggered entangled photon pairs. Nature, Vol. 439, pp. 179−182, 2006.」に記載されている。

光子送信ユニット１２６は、生成されたＥＰＲ対の一方の光子を隣接するノードの量子情報中継装置１００に送信するものである。

光子入力ユニット１２２は、ＥＰＲ対の一方の光子を隣接するノードの量子情報中継装置１００から受信するものである。

光子−固体ＥＩＴ間変換ユニット１２３は、受信した光子の量子状態および生成したＥＰＲ対の光子の量子状態を、原子核スピンの量子状態、具体的には、酸化物結晶（Ｙ₂ＳｉＯ₅）中に分散させた希土類イオン（Ｐｒ³⁺）の核スピンの量子状態に置き換えて、光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４に出力するものである。

光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４は、原子核スピンの量子状態で置換された光子の量子状態に対して、固体ＥＩＴ（Electromagneticlly indused transparency：電磁波誘起透明化）現象を使用して、量子計算を行う計算機である。ここで、固体ＥＩＴ現象とは、３つのエネルギー準位に２つの光を作用させることで誘起される現象である。作用させる光の片方、あるいは両方に対し、もともと不透明であるはずの物質が、透明になり、その際、３つのエネルギー準位のうち２つが量子力学的な重ね合わせの状態になる現象である。光子−固体ＥＩＴ量子計算機の詳細については、技術文献「K. Ichimura. A simple frequency-domain quantum computer with ions in a crystal coupled to acavity mode. Optics communications,196,pp.119-125, 2001.」および「H. Goto and K. Ichimura. Multiqubit controlled unitary gate by adiabatic passage with an optical cavity. Phys. Rev. A, Vol. 70, p. 012305, 2004.」に記載されている。

本実施の形態では、光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４は、エンタングルメント交換処理やエンタングルメント純粋化プロトコル処理を行っている。図３は、光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４の機能的構成を示すブロック図である。

光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４は、図３に示すように、制御部３０１と、エンタングルメント交換実行部３０２（以下、「ＥＳ実行部３０２」という）と、エンタングルメント純粋化プロトコル実行部３０３（以下、「ＥＰＰ実行部３０３」という）とを主に備えている。

ＥＳ実行部３０２は、隣接するノードの量子情報中継装置との間で、ＥＰＲ対を共有するエンタングルメント交換処理（以下、「ＥＳ処理」という）を実行するものである。ＥＳ処理は、複数のＥＰＲ対について、対のパートナーの光子（粒子）を交換する処理である。

ＥＰＰ実行部３０３は、エンタングルメント交換処理によって共有したＥＰＲ対の共有先のノードの前記量子情報中継装置との間で、ＥＰＲ対の忠実度を回復するためのエンタングルメント純粋化プロトコル処理（以下、「ＥＰＰ処理」）を実行するものである。ＥＰＰ処理は、忠実度の低い複数のＥＰＲ対から忠実度の高いＥＰＲ対を生成するプロトコルである。ＥＳ処理とＥＰＰ処理は、量子情報中継の処理で実行される。

ここで、エンタングルメント純粋化プロトコルには種種のバリエーションがあり、詳細については、技術文献「C.H. Bennett et.al. Purification of noisy entanglement and faithful teleportation via noisy entanglement.Phys.Rev.Lett.,Vol.76,No.5,pp.722, 1996.」、「R. Matsumoto. Conversion of a general quantum stabilizer code to an entanglement distillation protocol. uant-ph/0209091, 2002.」、「P.W. Shor and J. Preskill. Simple proof of security of the bb84 quantum key distribution protocol. e-print,quant-ph/0003004, 2000.」に記載されている。

制御部３０１は、送信者から受信者までの経路が決定された後に、送信者から受信者までの経路中の自己のノードの位置により、自己の量子情報中継装置１００の役割を決定するものである。具体的な役割については後述する。

ここで、一般化量子中継プロトコルについて説明する。一般化量子中継プロトコルは、量子状態配送ステップとＥＰＲ対の長さの伸長ステップからなっている。量子状態配送ステップは、もつれ合った光子対を短距離で共有するステップである。ＥＰＲ対の長さの伸長ステップは、長さの短い粒子対の長さを伸長するステップであって、量子状態の通信路による伝送は行わずに、古典情報の通信路による伝送のみを行うものである。
本実施の形態では、さらに、一般化量子中継を構成する量子状態配送ステップ及びＥＰＲ対の長さの伸長ステップの中で、ＥＰＲ対の長さの伸長ステップを複数の段階に分けたときに、最終段階において使用される古典通信路がそれ以前の段階において使用される古典通信路のうちのいずれか１つ以上と異なるように経路選択を行っている。かかる経路選択については、後述するＥＰＰ処理およびＥＳ処理において詳細に説明する。

また、ＥＳ処理およびＥＰＰ処理を利用した量子情報中継の処理について説明する。Ｌを１回のＥＳ処理で同時に連結する光子対の個数とする。このとき、Ｎ＝Ｌⁿとする。送信者Ａと受信者Ｂとを結ぶ光ファイバーには、Ｎ−１個の量子情報中継装置Ｃ₁、Ｃ₂、・・・Ｃ_N-1が接続されているものとする。かかる量子情報中継装置１００には、光子を保存しておくための量子メモリ１２５と、１キュービット演算量子回路と２キュービット演算量子回路が設置されているものとする。

まず、隣接するノードの量子情報中継装置１００間でＥＰＲ対を共有する。具体的には、各量子情報中継装置１００でＥＰＲ対を生成し、ＥＰＲ対の一方の光子を隣接するノードの２つの量子情報中継装置１００の中で受信者Ｂの方向にある量子情報中継装置１００に対して送信する。

そして、第１段階のＥＳ処理として、Ｌ個のＥＰＲ対を以下のように連結する。

量子情報中継装置Ｃ_L、Ｃ_2L、・・・Ｃ_N-Lを除く全ての量子情報中継装置１００でＥＳ処理を行い、ＥＰＲ対を連結する。その結果、長さＬのペアがＮ／Ｌ個生成され、Ａ＆Ｃ_L、Ｃ_L＆Ｃ_2L・・・間で共有される。

このＥＳ処理の操作によりＥＰＲ対の忠実度が低下するが、この値がＥＰＰ処理によって回復可能な忠実度の下限よりも大きければＥＰＰ処理を実行することにより忠実度を回復させることができる。このため、第１段階のＥＰＰ処理を行って、忠実度を回復する。

次に、第２段階のＥＳ処理として、生成された長さＬ倍のＥＰＲ対をさらにＬ個連結する。

Ｃ_kL（ｋ＝１，２，・・・）を満たす量子情報中継装置１００であって、量子情報中継装置Ｃ_L2、Ｃ_2L2、・・・Ｃ_N-L2を除く全ての量子情報中継装置１００でＥＳ処理によって、ＥＰＲ対を連結する。その結果、長さＬ²のＥＰＲ対がＮ／Ｌ²個生成され、Ａ＆Ｃ_L2、Ｃ_L＆Ｃ_2L2・・・間で共有される。次いで、第２段階のＥＰＰ処理を実行してＥＰＲ対の忠実度を回復する。

このようにして、ＥＳ処理とＥＰＰ処理を交互にｎ段階繰り返すことによって、送信ノードＡと受信ノードＢ間で忠実度の高いＥＰＲ対が共有される。このため、距離が増加しても共有されるＥＰＲ対の忠実度を一定に保つことができる。図４は、Ｎ＝４の場合におけるＥＳ処理およびＥＰＰ処理によるＥＰＲ対の状態を示している。ここで、図４および以降に示す図５〜９の各図において、実線で結線されている２つの光子は、互いにもつれあっていることを示している。

ここで、ＥＳ処理について詳述する。図５は、ＥＳ処理を説明するための模式図である。図５に示すように、例えば、光子１と光子２からなるＥＰＲ対及び光子３と光子４からなるＥＰＲ対にＥＳ処理を施すことによって、光子１と光子４からなるＥＰＲ対及び光子２と光子３からなるＥＰＲ対に変換される。ここで、送信者Ａと受信者Ｂとの間に２つの量子情報中継装置Ｃ１，Ｃ２が存在する場合を考えると、Ａ−Ｃ１間で共有されているＥＰＲ対とＣ１−Ｂ間で共有されているＥＰＲ対とを結び付けるＥＳ処理は以下のように実行される。

まず、ＡとＣ１で共有されているもつれ合った光子対のうちＣ１にある光子、及びＣ１とＢで共有されているＥＰＲ対のうちＣ１にある光子に対してベル合同測定を行う。次に、ベル合同測定の結果を、光子送信ユニット１２６を介して古典通信を用いてＡ及びＢに送信する。そして、Ａ及びＢで測定結果に対応する演算を施す。

次に、ＥＰＰ処理の詳細について説明する。例えば、送信者Ａと受信者Ｂとの間で共有されているＥＰＲ対に対してＥＰＰ処理を行う場合を考える。図６は、ＥＰＰ処理を説明するための模式図である。ここで、図６に示すように、送信者Ａと受信者Ｂとの間で２対のＥＰＲ対が共有されているとする。

Ａ、Ｂともに、自己の２光子にランダムバイラテラル変換を施す。そして、Ａ、Ｂ間で共有されている２対のＥＰＲ対に関して、Ａにある２つの粒子に制御ＮＯＴ（ＣＮＯＴ）を施すとともに、Ｂにおいても２つの粒子にも制御ＮＯＴ（ＣＮＯＴ）を施す。そして、Ａ及びＢでの制御ＮＯＴ（ＣＮＯＴ）の標的となったキュービットを観測し、Ａでの観測結果を古典通信経路によってＢに送信する。そして、ＢはＡの観測結果と自己の観測結果とを比較しこれに対応した操作を施す。これによってＥＰＰ処理が実行され、ＥＰＲ対の忠実度が回復することになる。

本実施の形態では、上述したＥＳ処理およびＥＰＰ処理を実行している。図７〜９は、実施の形態１にかかる量子情報中継装置１００において、ＥＰＲ対生成からＥＰＰ処理までの光子の状態を示す説明図である。図７は、ＥＰＲ対生成からＥＰＲ対の一方の光子を隣接する量子情報中継装置１００に送信する前までの光子の状態を示し、図８は、光子が送信されることによって、ＥＰＲ対が２つの量子情報中継装置１００で共有された状態を示している。また、図９は、共有されたＥＰＲ対に対してＥＳ処理を実行した状態を示している。図７〜９に示すように、共有されたＥＰＲ対の２つ光子は、光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４のメモリ１２５に保持され、光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４によって（ＥＳ実行部３０２、ＥＰＰ実行部３０３）、ＥＳ処理、ＥＰＰ処理が実行される。

実施の形態１では、さらに、ＥＰＰ実行部３０３は、最後に実行されたＥＳ処理で使用した古典通信、最後に実行されたＥＳ処理以前のＥＰＰ処理で使用した古典通信路のうちいずれか１つ以上と異なる古典通信路を選択して最後のＥＰＰ処理を実行している。また、ＥＳ実行部３０２は、前段階で実行したＥＳ処理で使用し、かつ前段階で実行したＥＰＰ処理で使用した古典通信路のうちいずれか１つ以上と異なる古典通信路を選択して最後のＥＳ処理を実行している。

また、ＥＳ実行部３０２では、以前に実行されたＥＳ処理で使用された古典経路、および以前に実行されたＥＰＰ処理で使用された古典通信路のうちのいずれかと異なる古典通信路を選択してＥＳ交換処理を実行する。

制御部３０１は、このようなＥＳ処理、ＥＰＰ処理における古典通信路の選択のため、経路中の自ノードの位置からどの古典通信路を選択してＥＳ処理、ＥＳＳ処理を実行すべきかの役割を決定している。

具体的には、隣接する送信ノード側の量子情報中継装置１００と共有するＥＰＲ対に対して第１段階のＥＳ処理を実行し、ＥＳ処理を実行したノードの送信ノード側の隣接ノードと受信ノード側の量子情報中継装置１００で第１段階のＥＰＰ処理を行う。その後、ＥＰＰ処理を実行した受信ノード側の量子情報中継装置１００において第２段階のＥＳ処理を行い、さらに、第１段階のＥＰＰ処理を行ったノードで第２段階のＥＰＰ処理を行う際、第１段階のＥＳ処理およびＥＰＰ処理と第２段階のＥＳ処理で使用した古典通信路とは異なる古典通信路の量子情報中継装置１００との間でＥＰＰ処理を行う。

次に、このように構成された実施の形態１にかかる量子情報通信システム、複数の量子情報中継装置１００による量子情報通信処理について説明する。図１０は、量子情報中継装置Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｘ，Ｙが接続され、量子通信路と古典通信路とが一部で一致しないネットワーク構成の一例を示す模式図である。図１０において、実線が量子情報通信路を示し、点線が古典通信路を示している。図１０に示すように、量子情報中継装置Ａ−Ｘ，Ｘ−Ｆ，Ｆ−Ｄ，Ｆ−Ｙ，Ｙ−Ｅ．Ｆ−Ｃ間では、量子通信路と古典通信路とが一致しているが、Ａ−Ｅ、Ａ−Ｂ，Ｂ−Ｃ，Ｅ−Ｄ、Ｃ−Ｄ間では古典通信路のみ存在している。

ここで、本実施の形態の量子情報通信処理を、量子情報を送信ノードの量子情報中継装置Ａから受信ノードの量子情報中継装置Ｅに送信する場合について説明する。

図１１は、実施の形態１の各量子情報中継装置１００における量子情報通信処理の手順を示すフローチャートである。

まず、量子情報中継装置Ａ，Ｘ，Ｆ，ＹにおいてＥＰＲ対を生成する（ステップＳ１〜Ｓ５）。次に、量子情報中継装置Ａ，Ｘ，Ｆ，Ｙで生成したＥＰＲ対の一方の光子を、隣接する量子情報中継装置に送信する（ステップＳ６〜Ｓ９）。これにより、Ａ−Ｘ間、Ｘ−Ｆ間、Ｆ−Ｙ間、Ｙ−Ｅ間でＥＰＲ対がそれぞれ共有されることになる。

そして、量子情報中継装置Ｘ，Ｙにおいて、第１段階のＥＳ処理を実行する（ステップＳ１０，Ｓ１１）。これによって、Ａ−Ｆ間およびＦ−Ｅ間でＥＰＲ対が共有される。

次に、量子情報中継装置Ａ，Ｆにおいて、第１段階のＥＰＰ処理をＡ−Ｆ間で実行し、量子情報中継装置Ｆ，Ｅにおいて、第１段階のＥＰＰ処理をＦ−Ｅ間で実行する（ステップＳ１２〜Ｓ１４）。これによりＡ−Ｆ間およびＦ−Ｅ間で、ＥＰＲ対の忠実度が回復される。

次に、量子情報中継装置Ｆにおいて、第２段階のＥＳ処理を実行する（ステップＳ１５）。これによって、量子情報中継装置Ａ−Ｅ間でＥＰＲ対が共有される。

ここで、使用される古典通信路の経路については次のようになる。図１０および図１１に示すように、第１段階のＥＳ処理では、経路Ａ−Ｘ−Ｆ及び経路Ｆ−Ｙ−Ｅを古典通信路として使用している。第１段階のＥＰＰ処理でも経路Ａ−Ｘ−Ｆと経路Ｆ−Ｙ−Ｅを使用している。また、第２段階のＥＳ処理では、経路Ａ−Ｘ−Ｆ及び経路Ｆ−Ｙ−Ｅを使用している。

次に、量子情報中継装置Ａ，Ｅにおいて、第２段階のＥＰＰ処理をＡ−Ｅ間で実行する（ステップＳ１６，Ｓ１７）。これによって、Ａ−Ｅ間でＥＰＲ対の忠実度が回復される。すなわち、第２段階のＥＰＰ処理では、第１段階のＥＳ処理及びＥＰＰ処理で使用される古典通信路および第２段階のＥＳ処理で使用する古典通信路とは、異なる古典通信路Ａ−Ｅを使用している。これにより、ＡからＥまで通信する際には、量子情報中継装置Ｆを経由せずに、短距離のＡ−Ｅ間の古典通信路で直接通信することができ、かつＥＰＲ対の忠実度の減衰も防止されることになる。

なお、量子通信路と古典通信路とが一致するネットワークと、一致しないネットワークが結合したネットワークにおいても、量子通信路と古典通信路とが一致しないネットワークにおいては上述した量子情報通信処理を適用することができる。図１２は、量子通信路と古典通信路とが一致するネットワークと、一致しないネットワークが結合したネットワークの一例を示す説明図である。図１２の例では、量子情報中継装置Ｅ−Ｋ間では、量子通信路と古典通信路とが一致するネットワークとなっているが、量子情報中継装置Ａ−Ｅ間では、量子通信路と古典通信路とが一致しないネットワークとして構成されている。

このような図１２のネットワークにおいて、量子情報中継装置ＡとＫとの間で量子情報通信を行う場合には、ＡからＥまでの経路は、図１０に示した例と同様の処理で、量子情報中継装置Ｆを介さずに短距離の古典通信路Ａ−Ｅを経路として行われ、かつＥＰＲ対の忠実度の減衰も防止されることになる。

このように実施の形態１にかかる量子情報通信システムでは、ＥＳ処理で使用し、かつ前段階で実行したＥＰＰ処理で使用した古典通信路と異なる古典通信路を選択して、選択された古典通信路の量子情報中継装置１００とＥＰＰ処理を実行しているので、量子情報中継を使用した量子情報通信において、受信者に対して古典通信路がより短距離で、かつ量子状態の忠実度を維持しつつ、安全性を確保することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２にかかる量子情報通信システムは、経路決定を行うネットワーク管理装置を備え、ネットワーク管理装置で決定された経路で短距離に量子情報通信を行うものである。

図１３は、実施の形態２にかかる量子情報通信システムのネットワーク構成を示すブロック図である。図１３に示すように、実施の形態２にかかる量子情報通信システムは、複数の量子情報中継装置１００とネットワーク管理装置が光ファーバー１４０で接続された構成となっている。

実施の形態２にかかる量子情報中継装置１００の機能的構成は、実施の形態１と同様である。実施の形態２にかかる量子情報中継装置１００では、送信ノードとなる場合に、受信ノードまでの経路決定の要求、すなわち送信ノードのＩＰアドレス、受信ノードのＩＰアドレスを含む要求メッセージをネットワーク管理装置１３０に送信し、ネットワーク管理装置１３０によって決定された経路（量子情報通信の経路と古典通信の経路）を受信する通信部を制御用古典計算機１１０に備えている。

図１４は、ネットワーク管理装置１３０の機能的構成を示すブロック図である。本実施の形態にかかるネットワーク管理装置１３０は、図１４に示すように、通信部１３１と、経路決定部１３２と、ハードディスクドライブ装置やメモリ等の記憶媒体に格納された経路テーブル１３３とを主に備えている。

通信部１３１は、量子情報中継装置１００から上記経路決定の要求メッセージを受信し、決定された経路（量子情報通信の経路と古典通信の経路）を含むメッセージを決定された経路中に存在する全てのノードの量子情報中継装置１００に送信するものである。なお、決定された経路を含むメッセージを受信した各ノードの量子情報中継装置１００では、経路中における自装置の位置により、自装置の果たす役割を決定する。すなわち、制御部３０１は、実施の形態１と同様に、ＥＳ処理、ＥＰＰ処理における古典通信路の選択のため、経路中の自ノードの位置からどの古典通信路を選択してＥＳ処理、ＥＳＳ処理を実行すべきかの役割を決定している。

経路決定部１３２は、経路テーブル１３３を参照して、経路決定要求に含まれる送信ノードおよび受信ノードの各ＩＰアドレスから量子情報通信の経路と古典通信の経路とを決定するものである。ここで、図１５は、送信ノードおよび受信ノードのＩＰアドレスのデータ形式の一例を示すデータ構造図である。図１５に示すように、ＩＰアドレスは複数のセグメントから構成されている。

このセグメントは、ネットワーク内の集合の階層を示すものである。例えば、ＩＰアドレスのｎ個のセグメントのうち、最初のｍ１個を第１階層の指定に用い、次のｍ２個を第２階層の決定に用いる。同様にして第ｉ階層の決定にはｍ１＋…＋ｍ(ｉ−１)＋１個目のセグメントからｍ１＋…＋ｍｉ個目のセグメントまでを用いるように構成することができる。

図１６は、ＩＰアドレスが４個のセグメントから構成される場合の例を示す模式図である。図１６の例では、上位のセグメントから順に、大陸、国、組織、個人の各階層で使用されるように構成され、図１６の下部のような使用例が考えられる。

図１４に戻り、経路テーブル１３３は、ネットワーク内の各ノード間の最短経路を保持するテーブルである。経路テーブル１３３は、古典通信路の経路テーブルと量子情報通信路の経路テーブルが別個に設けられている。図１７は、経路テーブル１３３の例を示す説明図である。図１７では、第１階層（大陸）と第２階層（国）の古典通信路における各経路の例を示している。

経路決定部１３２による経路決定は、かかる経路テーブル１３３を参照し、階層毎に行われる。例えば、図１７の経路テーブル１３３の例の場合には、まず、経路決定要求に含まれる送信者のノードのＩＰアドレスおよび受信者のノードのＩＰアドレスを取得して、大陸アドレス００１と００２を比較し、第１階層でのルートを決定する。そして、送信者のＩＰアドレスの国アドレスを用いて、送信者側の第２階層での経路を決定する。また、受信者のＩＰアドレスの国アドレスを用いて受信者側の第２階層での経路を決定する。

次に、送信者のＩＰアドレスの組織アドレスを用いて、送信者側での第３階層での経路を決定する。また、受信者のＩＰアドレスの組織アドレスを用いて受信者側の第３階層での経路を決定する。

そして、送信者のＩＰアドレスの個人アドレスを用いて、送信者側での第４階層での経路を決定する。また、受信者のＩＰアドレスの個人アドレスを用いて受信者側の第４階層での経路を決定する。このように、階層ごとに経路を決定し、最終的に各階層の経路を結合して送信者のノードから受信者のノードまでの経路を決定する。各階層における経路の決定に当たってはアドレスまたはアドレス対と経路とが対応した経路テーブルによって行われる。このような経路決定は、量子情報通信と古典情報通信のそれぞれに対して別個に設けられた経路テーブルを参照して行われる。

選択された経路の途中にある量子情報中継装置１００では、ネットワーク管理装置１３０から受信した経路に従って各ノードの役割を決定し、実施の形態１と同様のＥＳ処理、ＥＰＰ処理を、それぞれＥＳ実行部３０２、ＥＰＰ実行部で実行するようになっている。具体的には、図１１において、送信ノードである量子情報中継装置Ａは、上記経路決定をネットワーク管理装置１３０に送信し、その応答（決定された経路）を受信して、ステップＳ１〜Ｓ５でＥＰＲ対を生成する。そして、受信した経路に従って隣接ノードに光子を送信し（ステップＳ６）、各ＥＳ処理、ＥＰＰ処理が実行されることになる。量子情報中継装置１００のＥＳ処理、ＥＰＰ処理等のこの他の機能については、実施の形態１と同様に行われる。

図１８は、実施の形態２にかかる量子情報通信システムにおいて、送信ノードＡから受信ノードＢへネットワーク管理装置１３０の経路決定に従って量子情報通信処理を行った場合の経路の一例を示す模式図である。図１８において、太実線が量子情報通信路でＡからＢへの送信に使用された経路を示し、太点線が古典通信路でＡからＢへの送信に使用された経路を示している。

このように実施の形態２にかかる量子情報通信システムでは、ネットワーク管理装置１３０の決定した経路に従って、ＥＳ処理で使用し、かつ前段階で実行したＥＰＰ処理で使用した古典通信路と異なる古典通信路を選択して、選択された古典通信路の量子情報中継装置１００とＥＰＰ処理を実行しているので、受信者に対して古典通信路がより短距離で、かつ量子状態の忠実度を維持しつつ、安全性を確保することができる。

本実施の形態では、送信ノードから受信ノードまでの経路の決定をネットワーク管理装置１３０で行っているが、これに限定されるものではない。例えば、図１９に示すように、送信ノードとなる量子情報中継装置１００の古典計算機１８１０内に、上記と同様の経路決定部１３２と経路テーブル１３３を備え、送信ノード自身が、経路決定部１３２によって経路テーブルを参照して受信ノードまでの経路決定を行うように構成することもできる。

なお、本実施形態の量子情報中継装置１００で実行される量子情報中継プログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込まれて提供される。

本実施形態の量子情報中継装置１００で実行される量子情報中継プログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。

さらに、本実施形態の量子情報中継装置１００で実行される量子情報中継プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の量子情報中継装置１００で実行される量子情報中継プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。

本実施形態の量子情報中継装置１００で実行される量子情報中継プログラムは、上述した各部（ＥＳ実行部、ＥＰＰ実行部、制御部）を含むモジュール構成となっており、実際のハードウェアとしてはＣＰＵ（プロセッサ）が上記ＲＯＭから量子情報中継プログラムを読み出して実行することにより上記各部が主記憶装置上にロードされ、ＥＳ実行部、ＥＰＰ実行部、制御部が主記憶装置上に生成されるようになっている。

なお、本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

実施の形態１にかかる量子情報通信システムのネットワーク構成を示すブロック図である。実施の形態１にかかる中継器の機能的構成を示すブロック図である。光子−固体ＥＩＴ量子計算機の機能的構成を示すブロック図である。ＥＳ処理およびＥＰＰ処理によるＥＰＲ対の状態の例を示す模式図である。ＥＳ処理を説明するための模式図である。ＥＰＰ処理を説明するための模式図である。ＥＰＲ対生成からＥＰＰ処理までの光子の状態を示す説明図である。ＥＰＲ対生成からＥＰＰ処理までの光子の状態を示す説明図である。ＥＰＲ対生成からＥＰＰ処理までの光子の状態を示す説明図である。量子通信路と古典通信路とが一部で一致しないネットワーク構成の一例を示す模式図である。量子情報通信処理の手順を示すフローチャートである。量子通信路と古典通信路とが一致するネットワークと、一致しないネットワークが結合したネットワークの一例を示す説明図である。実施の形態２にかかる量子情報通信システムのネットワーク構成を示すブロック図である。実施の形態２にかかるネットワーク管理装置の機能的構成を示すブロック図である。ＩＰアドレスのデータ形式の一例を示すデータ構造図である。ＩＰアドレスが４個のセグメントから構成される場合の例を示す模式図である。経路テーブルの例を示す説明図である。実施の形態２における経路決定に従って量子情報通信処理を行った場合の経路の一例を示す模式図である。量子情報中継装置で経路決定を行う変形例の量子情報中継装置の機能的構成のブロック図である。

符号の説明

１００量子情報中継装置
１１０制御用古典計算機
１２１ＥＰＲ対生成ユニット
１２２光子入力ユニット
１２３光子−固体ＥＩＴ間変換ユニット
１２４光子−固体ＥＩＴ量子計算機
１２５メモリ
１２６光子送信ユニット
１３０ネットワーク管理装置
１３２経路決定部
１３３経路テーブル
１４０光ファイバー
３０１制御部
３０２ＥＳ実行部
３０３ＥＰＰ実行部

Claims

送信ノードから受信ノードまでの古典通信路または量子情報通信路に設けられ、前記送信ノードから前記受信ノードへの光子の量子情報通信の際に、もつれ合った光子対であるＥＰＲ対を他のノードと共有し、前記ＥＰＲ対の各光子間の距離を伸張する量子中継を行う複数の量子情報中継装置とを備えた量子情報通信システムであって、
前記量子情報中継装置のそれぞれは、
前記ＥＰＲ対を生成するＥＰＲ対生成手段と、
生成された前記ＥＰＲ対の一方の光子を隣接するノードの前記量子情報中継装置に送信する光子送信手段と、
隣接するノードの前記量子情報中継装置との間で、前記ＥＰＲ対を共有するエンタングルメント交換処理を実行するエンタングルメント交換実行手段と、
前記エンタングルメント交換処理によって共有した前記ＥＰＲ対の共有先のノードの前記量子情報中継装置との間で、前記ＥＰＲ対の忠実度を回復するための処理であるエンタングルメント純粋化プロトコル処理を実行するエンタングルメント純粋化プロトコル実行手段と、を備え、
前記エンタングルメント純粋化プロトコル実行手段は、前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理のうち最後の前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理を実行する場合に、最後に実行された前記エンタングルメント交換処理および当該エンタングルメント交換処理以前に実行された前記エンタングルメント交換処理で使用された古典通信路、および以前に実行された前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理で使用された古典通信路のうちのいずれか１つ以上と異なる古典通信路を選択することを特徴とする量子情報通信システム。
前記送信ノードから前記受信ノードまでの経路情報を記憶する記憶手段と、
前記送信ノードとなる前記量子情報中継装置からの要求により、前記経路情報に基づいて、前記送信ノードから前記受信ノードまでの経路を決定する経路決定手段と、
決定された経路を前記送信ノードとなる前記量子情報中継装置に送信する経路送信手段と、を備えた経路決定装置を更に備え、
前記量子情報中継装置は、送信ノードとなる場合に、前記受信ノードまでの経路を前記経路決定装置に要求し、前記経路決定装置によって決定された経路を受信する通信手段を更に備え、
前記エンタングルメント交換実行手段は、受信した前記経路に基づいて他のノードの前記中継装置と前記エンタングルメント交換処理を実行することを特徴とする請求項１に記載の量子情報通信システム。
送信ノードから受信ノードまでの古典通信路または量子情報通信路に設けられ、前記送信ノードから前記受信ノードへの光子の量子情報通信の際に、もつれ合った光子対であるＥＰＲ対を他のノードと共有し、前記ＥＰＲ対の各光子間の距離を伸張する量子中継を行う量子情報中継装置であって、
前記ＥＰＲ対を生成するＥＰＲ対生成手段と、
生成された前記ＥＰＲ対の一方の光子を隣接するノードの前記量子情報中継装置に送信する光子送信手段と、
隣接するノードの前記量子情報中継装置との間で、前記ＥＰＲ対を共有するエンタングルメント交換処理を実行するエンタングルメント交換実行手段と、
前記エンタングルメント交換処理によって共有した前記ＥＰＲ対の共有先のノードの前記量子情報中継装置との間で、前記ＥＰＲ対の忠実度を回復するための処理であるエンタングルメント純粋化プロトコル処理を実行するエンタングルメント純粋化プロトコル実行手段と、を備え、
前記エンタングルメント純粋化プロトコル実行手段は、前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理のうち最後の前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理を実行する場合に、最後に実行された前記エンタングルメント交換処理および当該エンタングルメント交換処理以前に実行された前記エンタングルメント交換処理で使用された古典通信路、および以前に実行された前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理で使用された古典通信路のうちのいずれか１つ以上と異なる古典通信路を選択することを特徴とする量子情報中継装置。
前記エンタングルメント交換実行手段は、前記エンタングルメント交換処理のうち最後の前記エンタングルメント交換処理を実行する場合に、以前に実行された前記エンタングルメント交換処理で使用された古典経路、および以前に実行された前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理で使用された古典通信路のうちのいずれか１つ以上と異なる古典通信路を選択することを特徴とする請求項３に記載の量子情報中継装置。
前記送信ノードから前記受信ノードまでの経路情報を記憶する記憶手段と、
前記経路情報に基づいて、前記送信ノードから前記受信ノードまでの経路を決定する経路決定手段と、を更に備え、
前記エンタングルメント交換実行手段は、受信した前記経路に基づいて他のノードの前記中継装置と前記エンタングルメント交換処理を実行することを特徴とする請求項３または４に記載の量子情報中継装置。
送信ノードから受信ノードまでの古典通信路または量子情報通信路に設けられ、前記送信ノードから前記受信ノードへの光子の量子情報通信の際に、もつれ合った光子対であるＥＰＲ対を他のノードと共有し、前記ＥＰＲ対の各光子間の距離を伸張する量子中継を行う複数の量子情報中継装置の間で行われる量子情報通信方法であって、
もつれあった光子対であるＥＰＲ対を生成するＥＰＲ対生成ステップと、
生成された前記ＥＰＲ対の一方の光子を隣接するノードの前記量子情報中継装置に送信する光子送信ステップと、
エンタングルメント交換実行手段によって、隣接するノードの前記量子情報中継装置との間で、前記ＥＰＲ対を共有するエンタングルメント交換処理を実行するエンタングルメント交換実行ステップと、
エンタングルメント純粋化プロトコル実行手段によって、前記エンタングルメント交換処理によって共有した前記ＥＰＲ対の共有先のノードの前記量子情報中継装置との間で、前記ＥＰＲ対の忠実度を回復するための処理であるエンタングルメント純粋化プロトコル処理を実行するエンタングルメント純粋化プロトコル実行ステップと、を含み、
前記エンタングルメント純粋化プロトコル実行ステップは、前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理のうち最後の前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理を実行する場合に、最後に実行された前記エンタングルメント交換処理および当該エンタングルメント交換処理以前に実行された前記エンタングルメント交換処理で使用された古典通信路、および以前に実行された前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理で使用された古典通信路のうちのいずれか１つ以上と異なる古典通信路を選択することを特徴とする量子情報通信方法。
送信ノードから受信ノードまでの古典通信路または量子情報通信路に設けられ、前記送信ノードから前記受信ノードへの光子の量子情報通信の際に、もつれ合った光子対であるＥＰＲ対を他のノードと共有し、前記ＥＰＲ対の各光子間の距離を伸張する量子中継を行う量子情報中継プログラムであって、
もつれあった光子対であるＥＰＲ対を生成するＥＰＲ対生成ステップと、
生成された前記ＥＰＲ対の一方の光子を隣接するノードの前記量子情報中継装置に送信する光子送信ステップと、
隣接するノードの前記量子情報中継装置との間で、前記ＥＰＲ対を共有するエンタングルメント交換処理を実行するエンタングルメント交換実行ステップと、
前記エンタングルメント交換処理によって共有した前記ＥＰＲ対の共有先のノードの前記量子情報中継装置との間で、前記ＥＰＲ対の忠実度を回復するための処理であるエンタングルメント純粋化プロトコル処理を実行するエンタングルメント純粋化プロトコル実行ステップと、をコンピュータに実行させ、
前記エンタングルメント純粋化プロトコル実行ステップは、前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理のうち最後の前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理を実行する場合に、最後に実行された前記エンタングルメント交換処理および当該エンタングルメント交換処理以前に実行された前記エンタングルメント交換処理で使用された古典通信路、および以前に実行された前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理で使用された古典通信路のうちのいずれか１つ以上と異なる古典通信路を選択することを特徴とする量子情報中継プログラム。