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【】量子计算机实现后，终端会通过量子网路联接上去，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下降。为了实现这一目标，目前正在加快开发借助遍及世界各地的光纤进行的量子通讯技术。札幌学院量子信息・量子生命研究中心特任院长（现东京学院特命院长室特命院长）井元信之成功否认了量子中继器的原理，长距离的条件下也能抑制因光耗损而出现的传输速率增长问题，实现光子的量子态传输，面向实现“全球量子网路”迈出了坚实的脚步。
井元信之：札幌学院量子信息・量子生命研究中心特任院长（现东京学院特命院长室特命院长）/2016～2021年度CREST研究项目负责人
在美国见证概念的诞生
恼人的量子成为开拓可能性的关键
支撑了现今信息社会的是以互联网为标志的信息通讯技术的发展。其中，就能大容量、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，作为安全性高的通讯手段，人们对量子通讯的关注日渐攀升。
在量子通讯中，基于量子热学的“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急剧确定，这些现象便是量子热学特有的“量子纠缠”现象日本量子通讯，量子信息就是基于这些现象进行传输的。为此，要想建立使用光纤的量子网路，不仅传统的光通讯技术之外，还须要对应量子信息的新技术。
具体做法是，将坐落远距离一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联接上去，产生发送端和接收端之间的长距离纠缠，之后借助这种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产生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降低。并且，假如对成功产生纠缠的区间保留纠缠，对仍未产生纠缠的区间重复产生的过程，等待时间就可以由指数降低为距离的式子。
要做到这一点，就须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讯设备原理完全不同的设备和系统。推动这些“长距离量子网路”研究的是札幌学院量子信息・量子生命研究中心的井元信之特任院长（现东京学院特命院士）。
井元院士于1977年加入德国电报电话公社（现NTT），并始终在武藏野通讯研究所从事光通讯研究。NTT自1980年代中期以来始终在建立光纤网路，井元院士通过光波复用通讯等技术革新，为信息网路的进步作出了贡献。以后，在1985年左右，他又开始研究量子干扰对光通讯的不利影响。
井元院士为了解决量子的不利影响，开始真正投入量子研究的抓手是1990年发生在美国弗吉尼亚学院的一件事情。井元院士介绍说：“我特别辛运地在哪里见证了量子计算机和量子密码概念的诞生。虽然我在中学生时代就对量子热学感兴趣，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”。以前恼人的量子反倒成为了开拓新型光通讯可能性的关键。2004年，井元先生卸任札幌学院院长，继续从事实现长距离量子网路的基础研究。
转换成适宜光通讯的波长
成功实现10公里传送
基于取得的研究成果，井元院士成立了一个以札幌学院为中心的研究团队，于2016年起在CREST举办了“实现全球量子网路”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路中的关键技术“量子中继”的要素技术。目前在长距离光纤网路中，每隔几十公里就要安装一个中继器，储存传送来的信息，并将衰减的光讯号增速后再发送出去。在量子通讯中，这种中继器必须更换成量子通讯中继器。
在量子中继中，起到储存信息作用，向储存器读写信息时使用的是780nm（1nm为十亿分之一米）可见光附近的长波。倘若直接进行光纤传输信息的话，还会遭到光讯号急速衰减的困局。
因此，研究团队开发了一种高性能的波长转换器，可将从量子储存器读取信息的可见光转换成为不破坏量子信息、且适宜光通讯的1,522nm近红外光。2016年，研究团队使用冷却铷原子的量子储存器，将量子信息转换为近红外光并在光纤网路中传送，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）和表示电子云产生的亮点（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，用于产生捕获磁场的线圈和原子供应源（左）。红外单反拍摄到的代表在真空玻璃单元中产生了原子云的亮点。这个小光团起到一个量子比特的作用。今后，将开发才能捕获更多的微小光团“原子芯片”，实现多量子比特集聚。
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讯号转换为通讯频带的波长（图2）。据悉，通过转化钙离子发出的光子的波长，在保持其量子特点的状态下，实现了10km以上的长距离量子通讯，创造了当时世界上最长距离的量子通讯记录。井元院士表示：“由此，实际验证了借助光纤网路，在远距离相隔的原子储存器之间可以形成量子网路，并实现长距离的安全通讯。”
图2.由无偏光依存型波长转换器构成的量子网路。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讯波长，并确认到由冷却原子构成的量子储存器和光纤通讯波长的光子之间产生了量子网路。由此，在量子比特储存器（由近可见光子构成的读写原子云）和通讯用量子比特（近可见光倍波长的光子）之间才能自由形成量子纠缠。
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元件组成的“全光量子中继”的原理，获得了有助于实现高速、低帧率“全球量子网路”的重大科研成果。据悉，还验证了由量子纠缠首次实现的“时间逆转”这一全新原理日本量子通讯，同时，还在世界上首次施行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“自适应贝尔检测”，因而引起了强烈反响。
井元院士总结道：“虽然还有诸如网路架构、无耗损集成光路和量子纠缠光源的研制，以及对应高效通讯的量子接收器等等好多课题亟需解决，但我相信，此前的一系列的研究早已向全球量子网路时代迈出了重要的一步。”
量子通讯是一项除了给光纤网路，还给卫星通讯等无线通讯领域也会带来巨大变迁的技术革新，目前，量子加密通讯技术早已逐渐实用化，今后，作为支持社会基础设施的技术，其重要性将会进一步增强。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀树）
原文：9月号
翻译：JST客观台湾编辑部