THE QUANTUM INTERNET

量子インターネットとは

量子インターネットは量子情報のインターネットです。 任意のノード間で量子もつれを共有したり量子ビットを伝送したりするプラットフォーム部分と、 共有された量子もつれや伝送された量子ビットを使って量子インターネットアルゴリズムを実行するアプリケーション部分から構成されています。 量子インターネットの代表的な用途として、分散量子計算や秘匿量子計算などの量子計算の拡張や、天体望遠鏡の超高精度化など量子センシングの拡張、 量子ビットコイン・リーダー選出・中継ノードの安全性を仮定しなくてよい（End-to-Endセキュリティを持つ）量子鍵配送や量子認証といった量子通信アルゴリズムなどがあります。 このように、量子技術や量子情報を広域でつなげていくのが量子インターネットです。

2種類の量子ネットワーク

実は、量子インターネットの前段階として、Trusted node量子暗号ネットワークと呼ばれるコンピュータネットワークが存在します。 Trusted node量子暗号ネットワークは古典ビット（暗号鍵）を配送するネットワークです。 各中継ノードで暗号鍵を量子情報から古典情報に変換しているため、Trusted node量子暗号ネットワークの中継技術は「古典中継」と呼ばれています。 一方、量子信号を量子信号のまま中継する技術は「量子中継」と呼ばれています。 信号の中継機能はコンピュータネットワークに必須であり、たとえば現行インターネットのルータも、ルーティングしながら信号中継しています。 量子中継技術の実現の難しさから、量子インターネットの研究開発は一時期下火となり、古典中継で量子ネットワークを構成する研究が盛んになっていました。 ところが最近、量子コンピュータ研究の発展に伴って量子ビットの操作やメモリ機能の研究が躍進しました。 量子ビットと光を繋げる技術の研究も大きく進み、量子インターネットの研究開発が世界的に盛り上がっています。

メルカリでの取組み

2量子ビットの量子もつれは特にBell pairと呼ばれています。 実は、量子インターネットの基本機能は任意のノード間でのBell pairの共有です。 Bell pairの共有だけで十分な理由は、Bell pairの消費と古典通信によって量子テレポーテーションを実行可能であるためです。 量子テレポーテーションは、任意の量子ビットをBell pairの片割れから入力すると、同じ量子ビットが逆の片割れから出力される操作です。 この際、Bell pairは消費されます。 つまり、量子情報を送受信するには、量子インターネットを利用して送りたい量子ビットと同数のBell pairを両エンドノード間に作成し、量子テレポーテーションを実行すればよいことになります。

しかし疑問が残ります。なぜ量子ビットを直接送るのではなく、Bell pairを共有してから量子テレポーテーションを実行するのでしょうか？ それは、量子ビットを送るメディアとなる光子にはロスが発生するためです。 量子通信は光子1個単位に情報がエンコードされます。 光子を光ファイバーなどの通信媒体に通すと、一定確率で光子がファイバー自身に吸収され、光子にエンコードされた量子情報も失われることになります。 量子ビットはコピーできないため、この情報損失は厄介な問題です。

ここで、Bell pairと量子テレポーテーションを考えます。Bell pairは $(\ket{00}+\ket{11})/\sqrt{2}$ と数式表現される2量子状態であり、何度でも作成可能です。 このため、あるノードで作成したBell pairの片割れ（光子）を隣りのノードに送る際、その光子が伝送中に失われてしまっても、 共有プロセスを初めから再実行することで、新しいBell pairをエンドノード間に共有できます。 その後、共有されたBell pairを消費して量子テレポーテーションを実行すると、本当に送りたい量子状態を、危険に晒さず安全に伝送できます。

量子インターネットで任意のノード間にBell pairを作成するには、Entanglement Swapping（E.S.と呼ばれる、Bell pairを ”接続” する操作を用います。 E.S.は、地点AとB、BとCでそれぞれ1セットのBell pairを共有しているとき、これら2つのBell pairを消費して、地点AとCの間にBell pairを作成します。 中継ノードでは、接続するBell pairの組み合わせを変更することでルーティングを実現できます。これが量子ルータです。 メルカリでは、これらの基本操作やその応用を用い、量子インターネットを実現するアーキテクチャやプロトコルの研究に取り組んでいます。