JP7108296B2

JP7108296B2 - 通信ノード、及び量子通信システム

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Publication number: JP7108296B2
Application number: JP2018153107A
Authority: JP
Inventors: 智之堀切; 大輔吉田; 和哉新関; 秀平田村
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Current assignee: Yokohama National University NUC
Priority date: 2018-08-16
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2022-07-28
Anticipated expiration: 2038-08-16
Also published as: JP2020028076A

Description

本発明は、通信ノード、及び量子通信システムに関する。

量子通信とは、光子を用いた通信技術である。量子通信は、インターネット通信や独自のネットワークを用いた通信に用いられる、乱数ビット列である暗号鍵の効率的な生成や、クラウド量子計算への応用が可能である。現在の通信において用いられる暗号化技術は、暗号を解読に膨大な計算が必要であるため実質的に解読が不可能という意味において安全性を有している。一方、量子通信を用いた暗号化技術は完全な情報通信セキュリティを保証する。

量子通信では、ネットワークを構成するノード間を繋ぐ光ファイバーにおける伝送損失及びデコヒーレンスのために、長距離になると光ファイバー中を伝搬するもつれ光子が指数関数的に減衰するという課題があった。量子通信の長距離化の課題を解決するために、量子通信においてノード間を中継する量子中継技術の開発が進められている。量子メモリーとして原子やイオンを用いた量子中継の方法が提案されている。

量子通信の長距離化には、量子もつれを長距離において効率的に共有することが必要とされる。量子もつれが共有される割合を量子もつれ共有レートという。量子通信の実用化に向けて、量子中継器を用いた量子もつれ共有レートの向上が研究されている。量子もつれ共有レートの向上には、量子メモリーともつれ光子発生源（ＥｎｔａｎｇｌｅｄＰｈｏｔｏｎＳｏｕｒｃｅ：ＥＰＳ）とを含めた量子中継における構成要素の最適化が求められている。

非特許文献１では、中間一致（ｍｅｅｔ－ｉｎ－ｔｈｅ－ｍｉｄｄｌｅ：ＭＭ）式と、送信受信（Ｓｅｎｄｅｒ－Ｒｅｃｅｉｖｅｒ：ＳＲ）式と、中間光源（ｍｉｄｐｏｉｎｔＳｏｕｒｃｅ：ＭＳ）式との量子中継の方式について量子もつれ共有レートが比較されている。また、非特許文献１では、中間一致式と中間光源式とについて、量子ドット、ダイヤモンド窒素空孔中心、及び捕獲原子がそれぞれ量子メモリーとして用いられた場合について、量子もつれ共有レートの比較が行われている。
ここで量子ドット、ダイヤモンド窒素空孔中心、及び捕獲原子は、いずれも発光型メモリーである。発光型メモリーでは、発光物質がもつれ光子を放出しメモリー物質と量子もつれが共有される。
非特許文献１の比較結果によれば、中間一致式、送信受信式、及び中間光源式のうち、中間光源式の場合が最も量子もつれ共有レートが高い。

Ｃ．Ｊｏｎｅｓ，Ｄ．Ｋｉｍ，Ｍ．Ｔ．Ｒａｋｈｅｒ，Ｐ．Ｇ．ＫｗｉａｔａｎｄＴ．Ｄ．Ｌａｄｄ、"Ｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌｓｆｏｒｑｕａｎｔｕｍｒｅｐｅａｔｅｒｎｅｔｗｏｒｋｓ"、ＮｅｗＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓ、ＤｅｕｔｓｃｈｅＰｈｙｓｉｋａｌｉｓｃｈｅＧｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔａｎｄｔｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ、２０１６年８月３日、１８、０８３０１５Ｎ．Ｓｉｎｃｌａｉｒ，Ｋ．Ｈｅｓｈａｍｉ，Ｃ．Ｄｅｓｈｍｕｋｈ，Ｄ．Ｏｂｌａｋ，Ｃ．ＳｉｍｏｎａｎｄＷ．Ｔｉｔｔｅｌ、"Ｐｒｏｐｏｓａｌａｎｄｐｒｏｏｆ－ｏｆ－ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｐｈｏｔｏｎｉｃｑｕｂｉｔｓｕｓｉｎｇａＴｍ：ＬｉＮｂＯ３ｗａｖｅｇｕｉｄｅ"、ＮＡＴＵＲＥＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ、ＳｐｒｉｎｇｅｒＮａｔｕｒｅ、２０１６年１１月１７日、７、１３４５４

非特許文献１に記載される量子中継の方式では、量子メモリーとして発光型メモリーが採用されているためスループットが高くなかった。非特許文献１に記載される量子中継の方式では、最も量子もつれ共有レートが高い中間光源式ですら距離５０キロメートルの通信において１キロヘルツに満たない量子もつれ共有レートであった。

発光型メモリーでは、内部の量子状態が特定の条件を満たす場合に初めて発光によりもつれ光子が放出されるため、スループットが抑制されてしまう。また、発光型メモリーでは、多重化メモリーすることが現状困難であるため、多重化メモリーとして用いることができない。
非特許文献１に記載される量子中継の方式では、スループットが高くなかったため、量子通信における量子もつれ共有レートが十分高くなかった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、量子通信における量子もつれ共有レートを高くすることができる通信ノード、及び量子通信システムを提供する。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、第１通信ノードと、第２通信ノードと、もつれ光子光源とを備え、前記第１通信ノードと、前記第２通信ノードと、前記もつれ光子光源とは、相互に時刻を同期して動作し、前記もつれ光子光源は、互いに量子相関をもつ１対のもつれ光子を発生させ、前記第１通信ノードは、前記もつれ光子光源が発生させる前記１対のもつれ光子のうちの一方のもつれ光子である第１もつれ光子を、当該第１もつれ光子を吸収することなく検出する第１非破壊光子検出器と、前記第１非破壊光子検出器により検出され、前記第１非破壊光子検出器から受け渡された前記第１もつれ光子を吸収することにより前記第１もつれ光子の量子状態を保存する第１吸収型メモリーと、を備え、前記第２通信ノードは、前記もつれ光子光源が発生させる前記１対のもつれ光子のうちの他方のもつれ光子である第２もつれ光子を、当該第２もつれ光子を吸収することなく検出する第２非破壊光子検出器と、前記第２非破壊光子検出器により検出され、前記第２非破壊光子検出器から受け渡された前記第２もつれ光子を吸収することにより前記第２もつれ光子の量子状態を保存する第２吸収型メモリーと、を備え、前記もつれ光子光源は、発生させる前記第１もつれ光子が前記第１通信ノードに到達する時刻と、発生させる前記第２もつれ光子が前記第２通信ノードに到達する時刻とが同時である位置に配置され、前記第１非破壊光子検出器は、前記第１通信ノードにおいて前記第１吸収型メモリーより、前記もつれ光子光源の側に備えられ、前記第２非破壊光子検出器は、前記第２通信ノードにおいて前記第２吸収型メモリーより、前記もつれ光子光源の側に備えられ、前記第１非破壊光子検出器による前記第１もつれ光子の検出によって、前記第１もつれ光子の量子状態は変化せず、前記第２非破壊光子検出器による前記第２もつれ光子の検出によって、前記第２もつれ光子の量子状態は変化せず、前記第１非破壊光子検出器は、前記第１もつれ光子を検出した場合、前記第１非破壊光子検出器が前記第１もつれ光子を検出し、前記第１非破壊光子検出器により検出された前記第１もつれ光子が前記第１吸収型メモリーに吸収及び保存されたであろうことを示す信号である第１古典伝令信号を前記第２通信ノードに送信し、前記第２非破壊光子検出器は、前記第２もつれ光子を検出した場合、前記第２非破壊光子検出器が前記第２もつれ光子を検出し、前記第２非破壊光子検出器により検出された前記第２もつれ光子が前記第２吸収型メモリーに吸収及び保存されたであろうことを示す信号である第２古典伝令信号を前記第１通信ノードに送信し、前記第１通信ノードが前記第２通信ノードからの前記第２古典伝令信号を受信し、前記第２通信ノードが前記第１通信ノードからの前記第１古典伝令信号を受信することによって、前記第１通信ノードと前記第２通信ノードとの間においてもつれが共有される量子通信システムである。

また、本発明の一態様は、上記の量子通信システムにおいて、前記第１吸収型メモリー及び前記第２吸収型メモリーはそれぞれ、複数の前記もつれ光子の前記量子状態を保存する多重化量子メモリーである。

また、本発明の一態様は、上記の量子通信システムにおいて、前記第１吸収型メモリー及び前記第２吸収型メモリーはそれぞれ、時分割多重または周波数多重を用いた多重化量子メモリーである。

また、本発明の一態様は、上記の量子通信システムに備えられる前記第１通信ノードと、前記第２通信ノードとのうちいずれかである通信ノードである。

本発明によれば、量子通信における量子もつれ共有レートを高くすることができる。

本発明の実施形態に係る量子通信システムの一例を示す図である。本発明の実施形態に係る量子通信システムの量子もつれ共有レートの数値シミュレーションの第１の結果の一例を示す図である。本発明の実施形態に係る量子通信システムの量子もつれ共有レートの数値シミュレーションの第２の結果の一例を示す図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。図１は、本実施形態に係る量子通信システムＳ１の一例を示す図である。量子通信システムＳ１は、原子周波数コム（ＡｔｏｍｉｃＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｍｂ：ＡＦＣ）が用いられた多重化メモリーを備える中間光源式の量子中継器である。ここで原子周波数コムとは、希土類添加物などの広い吸収スペクトルをもつ物質に、レーザー照射によるホールバーニングを用いて特定のエネルギー準位を占める電子を選択的に励起することにより形成される櫛状の吸収スペクトルである。

量子通信システムＳ１は、第１通信ノードＡ１と、第２通信ノードＢ１と、もつれ光子光源Ｅとを備える。量子通信システムＳ１において、第１通信ノードＡ１と、第２通信ノードＢ１と、もつれ光子光源Ｅとは、相互に時刻を同期して動作する。

第１通信ノードＡ１ともつれ光子光源Ｅとは、光ファイバーＦ１を通じて接続されている。第２通信ノードＢ１ともつれ光子光源Ｅとは、光ファイバーＦ２を通じて接続されている。第１通信ノードＡ１ともつれ光子光源Ｅとの距離は、第１リンク距離ＬＡである。第２通信ノードＢ１ともつれ光子光源Ｅとの距離は、第２リンク距離ＬＢである。第１リンク距離ＬＡ、及び第２リンク距離ＬＢは、それぞれ式（１）により表される。

ここで距離Ｌは、第１通信ノードＡ１と第２通信ノードＢ１との間の距離である。つまり、もつれ光子光源Ｅは、第１通信ノードＡ１と第２通信ノードＢ１との中間の位置に備えられる。

もつれ光子光源Ｅは、互いに量子相関をもつ第１もつれ光子ＰＡ及び第２もつれ光子ＰＢを発生さる。つまり、もつれ光子光源Ｅは、互いに量子相関をもつ１対のもつれ光子を発生させる。
もつれ光子光源Ｅは、発生させた第１もつれ光子ＰＡを、光ファイバーＦ１を通じて第１通信ノードＡ１へと出射する。一方、もつれ光子光源Ｅは、発生させた第２もつれ光子ＰＢを、光ファイバーＦ２を通じて第２通信ノードＢ１へと出射する。
第１もつれ光子ＰＡ及び第２もつれ光子ＰＢの波長は、通信波長帯である１．５マイクロメートルである。

上述したようにもつれ光子光源Ｅは、第１通信ノードＡ１と第２通信ノードＢ１との中間の位置に備えられるため、第１もつれ光子ＰＡが第１通信ノードＡ１に到達する時刻ｔＡと、第２もつれ光子ＰＢが第２通信ノードＢ１に到達する時刻ｔＢとは同時である。つまり、もつれ光子光源Ｅは、発生させる１対のもつれ光子のうちの一方のもつれ光子（この一例において、第１もつれ光子ＰＡ）が第１通信ノードＡ１に到達する時刻ｔＡと、１対のもつれ光子のうちの他方のもつれ光子（この一例において、第２もつれ光子ＰＢ）が第２通信ノードＢ１に到達する時刻ｔＢとが同時である位置に配置される。

第１通信ノードＡ１は、非破壊光子検出器Ａ１１と、吸収型メモリーＡ１２とを備える。
非破壊光子検出器Ａ１１は、第１通信ノードＡ１において吸収型メモリーＡ１２より、もつれ光子光源Ｅの側に備えられる。非破壊光子検出器Ａ１１は、もつれ光子光源Ｅによって出射される第１もつれ光子ＰＡを検出する。ここで非破壊光子検出器Ａ１１は、第１もつれ光子ＰＡを吸収することなく検出し吸収型メモリーＡ１２に受け渡す。つまり、非破壊光子検出器Ａ１１は、互いに量子相関をもつ１対のもつれ光子のうちの一方のもつれ光子（この一例において、第１もつれ光子ＰＡ）を、当該もつれ光子を吸収することなく検出する。ここで非破壊光子検出器Ａ１１による第１もつれ光子ＰＡの検出によって、第１もつれ光子ＰＡの量子状態は変化しない。

非破壊光子検出器Ａ１１は、第１もつれ光子ＰＡを検出した場合、第２通信ノードＢ１に第１古典伝令信号ＣＡを送信する。ここで第１古典伝令信号ＣＡは、非破壊光子検出器Ａ１１が第１もつれ光子ＰＡを検出し、非破壊光子検出器Ａ１１により検出された第１もつれ光子ＰＡが吸収型メモリーＡ１２に吸収及び保存されたであろうことを示す信号である。

非破壊光子検出器Ａ１１は、一例として、位相シフトを用いた公知の非破壊光子検出器（非特許文献２参照）である。非破壊光子検出器Ａ１１は、第１もつれ光子ＰＡの伝搬による制御光の位相のずれを検出する。
非破壊光子検出器Ａ１１は、例えば、イットリウムシリケイト（ＹＳＯ）中にプラセオジムイオンを不純物として添加した物質（Ｐｒ^３＋：ＹＳＯ）であるプラセオジム添加ＹＳＯ結晶や、ＹＳＯ中にユウロピウムを不純物として添加した物質（Ｅｕ^３＋：ＹＳＯ）であるユーロピウム添加ＹＳＯ結晶などによって構成される。
また、非破壊光子検出器Ａ１１には、原子周波数コムが用いられる。つまり、非破壊光子検出器Ａ１１は、複数の第１もつれ光子ＰＡを吸収することなく順次検出してよい。

吸収型メモリーＡ１２は、一例として、希土類添加物を用いた多重化量子メモリーである。吸収型メモリーＡ１２を構成する物質は、例えば、プラセオジム添加ＹＳＯ結晶やユーロピウム添加ＹＳＯ結晶などである。プラセオジム添加ＹＳＯ結晶は６０６ナノメートルを吸収波長にもつ。ユーロピウム添加ＹＳＯ結晶は５８０ナノメートルを吸収波長にもつ。

吸収型メモリーＡ１２は、複数の第１もつれ光子ＰＡの量子状態を保存する多重化量子メモリーである。吸収型メモリーＡ１２では、原子周波数コムによって多重化が実現される。ここで多重化とは、一例として、時分割多重である。吸収型メモリーＡ１２では、保存する複数の第１もつれ光子ＰＡのうちいずれが、もつれ光子光源Ｅによって発生させられた何番目のもつれ光子対に対応するかは、第１もつれ光子ＰＡを吸収した順番によって判定される。

なお、本実施形態では、多重化として時分割多重が用いられる場合について説明するが、これに限らない。多重化として周波数多重が用いられてもよく、また、多重化として時分割多重と周波数多重との両方が用いられてもよい。
つまり、吸収型メモリーＡ１２は、時分割多重または周波数多重を用いた多重化量子メモリーである。

吸収型メモリーＡ１２は到来したもつれ光子を順次吸収するため、量子通信システムＳ１におけるスループットの上限は、もつれ光子光源Ｅのもつれ光子対の発生効率によって決まっている。一方、発光型メモリーを用いた従来の量子通信システムにおいては、スループットの上限は、もつれ光子光源のもつれ光子対の発生効率に加えて、発光型メモリーがもつれ光子を放出する効率によっても決まっている。

吸収型メモリーＡ１２は、非破壊光子検出器Ａ１１によって受け渡された第１もつれ光子ＰＡを吸収する。吸収型メモリーＡ１２は、吸収した第１もつれ光子ＰＡの量子状態を、自身のメモリー物質の例えば電子集団の量子状態へと転写して保存する。吸収型メモリーＡ１２が第１もつれ光子ＰＡの量子状態を保存することにより、もつれ光子光源Ｅによって生成された第１もつれ光子ＰＡの量子状態の転送が実現する。

つまり、吸収型メモリーＡ１２は、非破壊光子検出器Ａ１１により検出された第１もつれ光子ＰＡを吸収することにより第１もつれ光子ＰＡの量子状態を保存する。

第２通信ノードＢ１は、非破壊光子検出器Ｂ１１と、吸収型メモリーＢ１２とを備える。非破壊光子検出器Ｂ１１、及び吸収型メモリーＢ１２の構成及び機能は、非破壊光子検出器Ａ１１、及び吸収型メモリーＡ１２とそれぞれ同様であるため、説明を省略する。

第１通信ノードＡ１は、第２通信ノードＢ１から第２古典伝令信号ＣＢを受信することにより、もつれ光子光源Ｅによって発生させられた第２もつれ光子ＰＢが吸収型メモリーＢ１２に吸収及び保存されたであろうことを、第２もつれ光子ＰＢが第２通信ノードＢ１に到達した直後に判定できる。一方、第２通信ノードＢ１は、第１通信ノードＡ１から第１古典伝令信号ＣＡを受信することにより、もつれ光子光源Ｅによって発生させられた第１もつれ光子ＰＡが吸収型メモリーＡ１２に吸収及び保存されたであろうことを、第１もつれ光子ＰＡが第１通信ノードＡ１に到達した直後に判定できる。

つまり、第１通信ノードＡ１と第２通信ノードＢ１とにおいてもつれを共有できる。以下、第１通信ノードＡ１が第２通信ノードＢ１からの第２古典伝令信号ＣＢを受信し、第２通信ノードＢ１が第１通信ノードＡ１からの第１古典伝令信号ＣＡを受信することを以て、第１通信ノードＡ１と第２通信ノードＢ１との間においてもつれが共有されたという。

ここで、もつれ光子光源Ｅが生成したもつれ光子が第１通信ノードＡ１または第２通信ノードＢ１に到達しても、吸収型メモリーＡ１２または吸収型メモリーＢ１２に吸収されるだけでは、吸収型メモリーＡ１２により吸収された光子と、吸収型メモリーＢ１２により吸収された光子とが互いに量子相関をもつもつれ光子であることは保証されない。つまり、もつれ光子光源Ｅが生成したもつれ光子が吸収型メモリーＡ１２または吸収型メモリーＢ１２に吸収されるだけでは、第１通信ノードＡ１と第２通信ノードＢ１との間においてもつれは共有されない。

量子通信システムＳ１では、吸収型メモリーＡ１２及び吸収型メモリーＢ１２に第１もつれ光子ＰＡ及び第２もつれ光子ＰＢがそれぞれ吸収される前に、非破壊光子検出器Ａ１１及び非破壊光子検出器Ｂ１１により第１もつれ光子ＰＡ及び第２もつれ光子ＰＢがそれぞれ検出され、第１通信ノードＡ１と第２通信ノードＢ１との間における第１古典伝令信号ＣＡ及び第２古典伝令信号ＣＢによる通信により、第１通信ノードＡ１と第２通信ノードＢ１との間においてもつれが共有される。

量子もつれ共有レートとは、もつれ光子光源Ｅが生成したもつれ光子対の数に対するもつれが共有された回数の割合である。ここでもつれ光子光源Ｅが生成したもつれ光子（この一例において、第１もつれ光子ＰＡ及び第２もつれ光子ＰＢ）には、第１通信ノードＡ１または第２通信ノードＢ１に到達する前に、光ファイバーＦ１または光ファイバーＦ２を伝搬する過程において減衰し失われるものがある。

また、非破壊光子検出器Ａ１１により第１もつれ光子ＰＡが検出された場合においても、検出された第１もつれ光子ＰＡが吸収型メモリーＡ１２に吸収されることは保証されない。非破壊光子検出器Ａ１１により検出された第１もつれ光子ＰＡのうち吸収型メモリーＡ１２に吸収されなかったもつれ光子を検出するための補助光検出器が、第１通信ノードＡ１に備えられてもよい。

補助光検出器は、吸収型メモリーＡ１２に吸収されなかったもつれ光子を検出した場合、検出結果を示す信号を非破壊光子検出器Ａ１１に供給する。非破壊光子検出器Ａ１１は、補助光検出器から当該信号が供給された場合、第１古典伝令信号ＣＡを送信しない。
補助光検出器が第１通信ノードＡ１に備えられる場合、非破壊光子検出器Ａ１１は、検出した第１もつれ光子ＰＡが吸収型メモリーＡ１２に吸収された場合に、第１古典伝令信号ＣＡを送信するため、第１古典伝令信号ＣＡの信頼性が向上する。

第２通信ノードＢ１にも上述したのと同様に、非破壊光子検出器Ｂ１１により検出された第２もつれ光子ＰＢのうち吸収型メモリーＢ１２に吸収されなかったもつれ光子を検出するための補助光検出器が備えられてよい。非破壊光子検出器Ａ１１は、検出した第２もつれ光子ＰＢが吸収型メモリーＢ１２に吸収された場合に、第２古典伝令信号ＣＢを送信する。

ここで図２を参照し、量子通信システムＳ１における量子もつれ共有レートの数値シミュレーションの結果について説明する。
図２は、本実施形態に係る量子通信システムＳ１の量子もつれ共有レートの数値シミュレーションの第１の結果の一例を示す図である。
第１グラフＧ１～第７グラフＧ７は、第１通信ノードＡ１と第２通信ノードＢ１との間の距離Ｌに対する量子もつれ共有レートを示すグラフである。ここで第１グラフＧ１～第７グラフＧ７では、距離Ｌは、５キロメートルから５０キロメートルまで５キロメートル刻みにおいて変化させた。第１グラフＧ１～第７グラフＧ７が示す量子もつれ共有レートとは、５×１０^５回の試行についての量子もつれ共有レートの平均値である。

ここでもつれ光子光源Ｅにおいて１対のもつれ光子対が発生する確率を発生確率ｐ_ｍとする。第１グラフＧ１は、発生確率ｐ_ｍの値が１である場合の量子通信システムＳ１についての結果である。第２グラフＧ２は、発生確率ｐ_ｍの値が０．５である場合の量子通信システムＳ１についての結果である。第３グラフＧ３は、発生確率ｐ_ｍの値が０．０２である場合の量子通信システムＳ１についての結果である。

第４グラフＧ４～第６グラフＧ６は、従来量子通信システムＳ１０についての結果である。従来量子通信システムＳ１０では、中間光源式において、発光型量子メモリーなどの多重化されていない量子メモリーが用いられる。従来量子通信システムＳ１０では、通信ノードは非破壊光子検出器を備えていない。
第４グラフＧ４は、発生確率ｐ_ｍの値が１である場合の従来量子通信システムＳ１０についての結果である。第５グラフＧ５は、発生確率ｐ_ｍの値が０．５である場合の従来量子通信システムＳ１０についての結果である。第６グラフＧ６は、発生確率ｐ_ｍの値が０．０２である場合の従来量子通信システムＳ１０についての結果である。

第７グラフＧ７は、従来量子通信システムＳ２０について結果である。従来量子通信システムＳ２０では、中間一致式において、発光型量子メモリーなどの多重化されていない量子メモリーが用いられる。従来量子通信システムＳ２０では、通信ノードは非破壊光子検出器を備えていない。従来量子通信システムＳ２０では、もつれ光子光源の代わりにベル状態検出器が通信ノードの中間の位置に備えられる。

第１グラフＧ１～第７グラフＧ７は、以下の条件において得られた結果である。
当該条件では、１回の試行にかかる時間は１０ナノ秒とした。ここで１回の試行とは、もつれ光子光源Ｅや発光型量子メモリーによってもつれ光子（対）生成が試みられることをいう。

第１グラフＧ１～第３グラフＧ３では、吸収型メモリーＡ１２及び吸収型メモリーＢ１２がもつれ光子の量子状態を保存できる時間であるメモリー時間を５１マイクロ秒とした。第１グラフＧ１～第３グラフＧ３では、原子周波数コムに用いられる希土類添加物としてユーロピウム添加ＹＳＯ結晶を仮定し、多重化におけるモードの数を１００とした。第１グラフＧ１～第３グラフＧ３では、吸収型メモリーＡ１２及び吸収型メモリーＢ１２の吸収効率を５３パーセントとした。
第１グラフＧ１～第３グラフＧ３では、非破壊光子検出器Ａ１１及び非破壊光子検出器Ｂ１１の検出効率を、吸収型メモリーＡ１２及び吸収型メモリーＢ１２の原子周波数コムとしての吸収効率と、１個の光子が検出される効率との積とした。１個の光子が検出される効率を０．８とした。
第１グラフＧ１～第３グラフＧ３では、光ファイバーＦ１及び光ファイバーＦ２の減衰距離を２２キロメートル、屈折率を１．５、光速を２．９９８×１０^５キロメートル毎秒とした。

発生確率ｐ_ｍの値が１である第１グラフＧ１、及び発生確率ｐ_ｍの値が０．５である第２グラフＧ２では、第４グラフＧ４～第７グラフＧ７に比べて、２桁近く高い量子もつれ共有レートが得られていることがわかる。量子通信システムＳ１では、原子周波数コムにより多重化された量子メモリーである吸収型メモリーＡ１２及び吸収型メモリーＢ１２が備えられているため、多重化された量子メモリーが備えられていない従来量子通信システムＳ１０や従来量子通信システムＳ２０に比べて高い量子もつれ共有レートが得られている。

図２に示した結果では、原子周波数コムに用いられる希土類添加物としてユーロピウム添加ＹＳＯ結晶を仮定し、多重化におけるモードの数を１００とした。原子周波数コムに用いられる希土類添加物としてＴｍ：ＹＡＧを採用し、多重化におけるモードの数として１０６０が達成されている。
そこで図３を参照し、原子周波数コムに用いられる希土類添加物としてＴｍ：ＹＡＧを仮定し、多重化におけるモードの数を１０６０とした場合の量子通信システムＳ１における量子もつれ共有レートの数値シミュレーションの結果について説明する。

図３は、本実施形態に係る量子通信システムＳ１の量子もつれ共有レートの数値シミュレーションの第２の結果の一例を示す図である。第８グラフＧ８～第１０グラフＧ１０は、第１通信ノードＡ１と第２通信ノードＢ１との間の距離Ｌに対する量子もつれ共有レートを示すグラフである。第８グラフＧ８は、発生確率ｐ_ｍの値が１である場合の量子通信システムＳ１についての結果である。第９グラフＧ９は、発生確率ｐ_ｍの値が０．５である場合の量子通信システムＳ１についての結果である。第１０グラフＧ１０は、発生確率ｐ_ｍの値が０．０２である場合の量子通信システムＳ１についての結果である。

第８グラフＧ８～第１０グラフＧ１０は、多重化におけるモードの数を１０６０とした場合の結果である。第８グラフＧ８～第１０グラフＧ１０では、吸収型メモリーＡ１２及び吸収型メモリーＢ１２のメモリー時間を１ミリ秒とした。第８グラフＧ８～第１０グラフＧ１０では、吸収型メモリーＡ１２及び吸収型メモリーＢ１２の吸収効率を１００パーセントとした。
図３の第８グラフＧ８～第１０グラフＧ１０と、図２の第１グラフＧ１～第３グラフＧ３とでは、多重化量子メモリーの多重化のモードの数、メモリー時間、及び吸収効率が異なり、他の条件は同じである。
第８グラフＧ８及び第９グラフＧ９から、距離Ｌが５０キロメートルの場合におよそ１メガヘルツの量子もつれ共有レートが得られていることがわかる。

なお、本実施形態では、吸収型メモリーＡ１２及び吸収型メモリーＢ１２が、一例として、希土類添加物を用いた多重化量子メモリーである場合について説明したが、これに限らない。吸収型メモリーとして、多重化されていない量子メモリーが用いられてもよい。

また、本実施形態では、量子中継の最小の単位として量子通信システムＳ１について説明したが、第１通信ノードＡ１ともつれ光子光源Ｅと第２通信ノードＢ１と同様の構成を構成単位として、この構成単位を量子通信システムＳ１に直列に複数追加することにより通信距離を延長することができる。第１通信ノードＡ１ともつれ光子光源Ｅと第２通信ノードＢ１と同様の構成単位を量子通信システムＳ１に追加する場合、図１に示す量子通信システムＳ１は、第１通信ノードＡ１ともつれ光子光源Ｅと第２通信ノードＢ１と同様の構成単位が複数追加された量子通信システムの一部に対応する。

以上に説明したように、本実施形態に係る通信ノード（この一例において、第１通信ノードＡ１及び第２通信ノードＢ１）は、非破壊光子検出器（この一例において、非破壊光子検出器Ａ１１及び非破壊光子検出器Ｂ１１）と、吸収型メモリー（の一例において、吸収型メモリーＡ１２及び吸収型メモリーＢ１２）とを備える。
非破壊光子検出器（この一例において、非破壊光子検出器Ａ１１及び非破壊光子検出器Ｂ１１）は、互いに量子相関をもつ１対のもつれ光子のうちの一方のもつれ光子（この一例において、第１もつれ光子ＰＡまたは第２もつれ光子ＰＢ）を、当該もつれ光子を吸収することなく検出する。
吸収型メモリー（この一例において、吸収型メモリーＡ１２及び吸収型メモリーＢ１２）は、非破壊光子検出器（この一例において、非破壊光子検出器Ａ１１及び非破壊光子検出器Ｂ１１）により検出されたもつれ光子（この一例において、第１もつれ光子ＰＡまたは第２もつれ光子ＰＢ）を吸収することによりもつれ光子（この一例において、第１もつれ光子ＰＡまたは第２もつれ光子ＰＢ）の量子状態を保存する。

この構成により、本実施形態に係る通信ノード（この一例において、第１通信ノードＡ１及び第２通信ノードＢ１）では、もつれ光子（この一例において、第１もつれ光子ＰＡまたは第２もつれ光子ＰＢ）を、吸収型メモリー（この一例において、吸収型メモリーＡ１２及び吸収型メモリーＢ１２）に吸収される前に検出することができるため、量子通信における量子もつれ共有レートを高くすることができる。

また、本実施形態に係る通信ノード（この一例において、第１通信ノードＡ１及び第２通信ノードＢ１）では、吸収型メモリー（この一例において、吸収型メモリーＡ１２及び吸収型メモリーＢ１２）は、複数のもつれ光子（この一例において、第１もつれ光子ＰＡまたは第２もつれ光子ＰＢ）の量子状態を保存する多重化量子メモリーである。
この構成により、本実施形態に係る通信ノードでは、多重化量子メモリーでない場合に比べて量子通信における量子もつれ共有レートを高くすることができる。

また、本実施形態に係る通信ノード（この一例において、第１通信ノードＡ１及び第２通信ノードＢ１）では、吸収型メモリー（この一例において、吸収型メモリーＡ１２及び吸収型メモリーＢ１２）は、時分割多重または周波数多重を用いた多重化量子メモリーである。
この構成により、本実施形態に係る通信ノード（この一例において、第１通信ノードＡ１及び第２通信ノードＢ１）では、時分割多重または周波数多重を用いた量子通信を行うことができる。

また、本実施形態に係る量子通信システムＳ１は、第１通信ノードＡ１と、第２通信ノードＢ１と、もつれ光子光源Ｅとを備える。
もつれ光子光源Ｅは、発生させる１対のもつれ光子（この一例において、第１もつれ光子ＰＡ及び第２もつれ光子ＰＢ）のうちの一方のもつれ光子（この一例において、第１もつれ光子ＰＡ）が第１通信ノードＡ１に到達する時刻と、１対のもつれ光子（この一例において、第１もつれ光子ＰＡ及び第２もつれ光子ＰＢ）のうちの他方のもつれ光子（この一例において、第２もつれ光子ＰＢ）が第２通信ノードＢ１に到達する時刻とが同時である位置に配置され、互いに量子相関をもつ１対のもつれ光子（この一例において、第１もつれ光子ＰＡ及び第２もつれ光子ＰＢ）を発生させる。

この構成により、本実施形態に係る量子通信システムＳ１は、中間光源式であるため、量子通信における量子もつれ共有レートを、中間一致式や送信受信式に比べて高くすることができる。ここで非特許文献１の比較結果により、中間光源式を用いた場合の量子もつれ共有レートが、中間一致式や送信受信式を用いた場合の量子もつれ共有レートに比べて高いことが確かめられている。

上述したように本実施形態に係る量子通信システムＳ１は、原子周波数コムが用いられた多重化メモリーを備える中間光源式の量子中継器である。本実施形態に係る量子通信システムＳ１では、従来量子通信システムＳ１０や従来量子通信システムＳ２０に比べて、２桁近く高い量子もつれ共有レートが得られることが数値シミュレーションにより確かめられている。

本実施形態に係る量子通信システムＳ１は、第１通信ノードＡ１ともつれ光子光源Ｅと第２通信ノードＢ１と同様の構成を構成単位として、この構成単位を本実施形態に係る量子通信システムＳ１に直列に複数追加することにより通信距離を延長し、量子中継器の実装に適用できる。
量子中継器を用いて長距離の量子通信を実現できれば、量子通信を用いた暗号化技術によって、完全な情報通信セキュリティが長距離において得られる。当該量子通信は、量子コンピュータと量子コンピュータを持たないユーザーとを相互に接続することにより、量子コンピュータを用いたクラウド量子計算に適用できる。当該クラウド量子計算では、盗聴者に通信内容を盗聴されることがないため、ユーザーの機密性を保持することができる。ここで盗聴者とは、量子コンピュータ側の盗聴者を含む。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

Ｓ１…量子通信システム、Ａ１…第１通信ノード、Ｂ１…第２通信ノード、Ａ１１…非破壊光子検出器、Ｂ１１…非破壊光子検出器、Ａ１２…吸収型メモリー、Ｂ１２…吸収型メモリー、Ｅ…もつれ光子光源、Ｆ１、Ｆ２…光ファイバー、ＰＡ…第１もつれ光子、ＰＢ…第２もつれ光子、ＣＡ…第１古典伝令信号、ＣＢ…第２古典伝令信号、ＬＡ…第１リンク距離、ＬＢ…第２リンク距離

Claims

第１通信ノードと、第２通信ノードと、もつれ光子光源とを備え、
前記第１通信ノードと、前記第２通信ノードと、前記もつれ光子光源とは、相互に時刻を同期して動作し、
前記もつれ光子光源は、互いに量子相関をもつ１対のもつれ光子を発生させ、
前記第１通信ノードは、
前記もつれ光子光源が発生させる前記１対のもつれ光子のうちの一方のもつれ光子である第１もつれ光子を、当該第１もつれ光子を吸収することなく検出する第１非破壊光子検出器と、
前記第１非破壊光子検出器により検出され、前記第１非破壊光子検出器から受け渡された前記第１もつれ光子を吸収することにより前記第１もつれ光子の量子状態を保存する第１吸収型メモリーと、
を備え、
前記第２通信ノードは、
前記もつれ光子光源が発生させる前記１対のもつれ光子のうちの他方のもつれ光子である第２もつれ光子を、当該第２もつれ光子を吸収することなく検出する第２非破壊光子検出器と、
前記第２非破壊光子検出器により検出され、前記第２非破壊光子検出器から受け渡された前記第２もつれ光子を吸収することにより前記第２もつれ光子の量子状態を保存する第２吸収型メモリーと、
を備え、
前記もつれ光子光源は、発生させる前記第１もつれ光子が前記第１通信ノードに到達する時刻と、発生させる前記第２もつれ光子が前記第２通信ノードに到達する時刻とが同時である位置に配置され、
前記第１非破壊光子検出器は、前記第１通信ノードにおいて前記第１吸収型メモリーより、前記もつれ光子光源の側に備えられ、
前記第２非破壊光子検出器は、前記第２通信ノードにおいて前記第２吸収型メモリーより、前記もつれ光子光源の側に備えられ、
前記第１非破壊光子検出器による前記第１もつれ光子の検出によって、前記第１もつれ光子の量子状態は変化せず、
前記第２非破壊光子検出器による前記第２もつれ光子の検出によって、前記第２もつれ光子の量子状態は変化せず、
前記第１非破壊光子検出器は、前記第１もつれ光子を検出した場合、前記第１非破壊光子検出器が前記第１もつれ光子を検出し、前記第１非破壊光子検出器により検出された前記第１もつれ光子が前記第１吸収型メモリーに吸収及び保存されたであろうことを示す信号である第１古典伝令信号を前記第２通信ノードに送信し、
前記第２非破壊光子検出器は、前記第２もつれ光子を検出した場合、前記第２非破壊光子検出器が前記第２もつれ光子を検出し、前記第２非破壊光子検出器により検出された前記第２もつれ光子が前記第２吸収型メモリーに吸収及び保存されたであろうことを示す信号である第２古典伝令信号を前記第１通信ノードに送信し、
前記第１通信ノードが前記第２通信ノードからの前記第２古典伝令信号を受信し、前記第２通信ノードが前記第１通信ノードからの前記第１古典伝令信号を受信することによって、前記第１通信ノードと前記第２通信ノードとの間においてもつれが共有される
量子通信システム。
前記第１吸収型メモリー及び前記第２吸収型メモリーはそれぞれ、複数の前記もつれ光子の前記量子状態を保存する多重化量子メモリーである
請求項１に記載の量子通信システム。
前記第１吸収型メモリー及び前記第２吸収型メモリーはそれぞれ、時分割多重または周波数多重を用いた多重化量子メモリーである
請求項２に記載の量子通信システム。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の量子通信システムに備えられる前記第１通信ノードと、前記第２通信ノードとのうちいずれかである
通信ノード。