量子ネットワークっていったい何ですか?

現在、Signal などのアプリを使用して暗号化されたメッセージを送信することは可能ですが、完全にハッキングできないシステムはありません。しかし、いつの日か、量子力学を活用したネットワークのおかげで、暗号化を解読することがはるかに困難になる可能性があります。量子力学は、宇宙を最小のスケールで支配する物理学の難解な分野です。

おそらく、この記事を今読んでいる電子機器は、最も基本的なレベルではシリコンベースのトランジスタで構築されたビットで動作しています。量子ではない世界、つまり科学者が「古典的」世界と呼ぶ世界では、それらのビットのそれぞれは 0 または 1 という 1 つの数字を保持しています。

量子デバイスは、量子力学の法則に従って動作する独自の量子ビット、つまり「キュービット」（「Q-ビット」のように発音）を使用します。これにより、キュービットは奇妙で不思議な方法で動作することができます。たとえば、キュ​​ービットは 0 と 1 の両方を同時に保持できます。

量子ネットワークは、これらの興味深い量子ビット、たとえば光子を伝送することができます。科学者はこれを、従来のインターネットの基盤となっている光ファイバー回線を通じて送信することができます。

まだ実験段階にあるこれらのネットワークは、量子デバイス同士をリンクする役割を果たしている。「量子コンピューターが実際に構築され始めた今、人々はそれらをネットワーク化することをより真剣に考え始めています」と、カルガリー大学で量子光学を専門とする研究者クリストフ・サイモン氏は言う。

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量子コンピューターを構築するのはすでに困難だが、量子コンピューターを大型化するのはさらに困難だ。「したがって、処理能力を拡大する一つの方法は、ネットワーク化された複数の量子コンピューターを絡み合わせて、単一の『スーパー』量子コンピューターを作ることだ」と、米国立標準技術研究所の物理学者オリバー・スラタリー氏は言う。

しかし、量子ネットワークの本来の（そして最もよく知られている）用途は、理論上は、非常に誤りやすい従来のインターネット上のものよりもはるかに不可解な接続を作成することです。

これらの超安全な接続は、量子もつれと呼ばれる原理を利用しています。簡単に言えば、「もつれ」のある粒子を作成できます。そして、そのうちの 1 つの状態を観察すると、もう一方の粒子がどれだけ離れていても、もつれたもう一方の粒子の状態に影響を与えます。

これを使って情報を暗号化することができます。隣の都市にいるスパイの友人にメッセージを送りたいとします。2 人はそれぞれ、エンタングルされた光子のペアのうち 1 つを受け取ります。これらの光子の状態を測定すると、あなたと同僚の両方に固有のキーが与えられ、それを使ってメッセージを暗号化し、友人はそのキーを使ってメッセージを復号化することができます。

誰かが鍵を入手しようとすれば、その行為自体が光子に影響を与え、それがわかる。「盗聴したり、チャンネルを測定したりしても、それが人に検知されることはない」とプリンストン大学の電気・コンピュータ工学教授ナタリー・デ・レオン氏は言う。「また、情報を傍受してコピーすることもできない」

「複製不可原理」と呼ばれる別の量子特性により、量子ビットをコピーすることはできません。しかし、この原理自体が量子ネットワークの致命的な欠陥でもあります。量子ビットを回線に送ると、一定距離を超えると消えてしまいます。従来のインターネットでは、その情報を転送するだけです。しかし、量子の世界ではそれは通用しません。量子ビットをコピーできないからです。

その結果、現在の量子ネットワークでは、量子ビットを数キロメートル離れた場所にしか送信できません。つまり、現時点で光ファイバーを介して量子ビットを送信する場合、都市よりも大きな規模では送信できないということです。

「より長距離で何かを行うには、根本的に新しい技術が必要です」とデ・レオン氏は言う。近道はあるが、必ずしも安全ではない。それは、仲介者を介してメッセージを中継するようなもので、仲介者を常に信頼できるわけではない。

また、光ファイバーを完全に使わずに、研究者が「自由空間」と呼ぶ、文字通り屋外の空間に量子ビットを送ることも可能だ。これは、ある山頂から別の山頂にライトを点滅させるようなものだ。物理的に反対側を見る必要があるため、ほとんどの場合非現実的である。また、大気の干渉を受けやすい。

しかし、それは宇宙の真空では機能します。それが、2017年に中国の衛星QUESSが軌道から地上に量子ビットを「テレポート」することを可能にしたのです。これは遅く、特に効率的ではありませんが、QUESSの背後にいる科学者（および中国政府）は、この技術が量子衛星ネットワークの基礎を形成できることを期待しています。

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この成果は印象深いが、デ・レオン氏は、これは既存の研究に基づくものだと語る。「これは非常に重要な実証であり、コミュニティとして多くのことを学んだと思います」と彼女は言う。「しかし、彼らが行ったことはすべて、10年前、15年前に書き留めておけばよかったのです。」

それでも、一部の科学者は宇宙から量子ビットを受信する地上局の建設に目を向けている。QUESS はもうすぐ単独ではなくなる。別の衛星 QEYSSat は、クリストフ・サイモン氏を含むカナダの機関の科学者数名によって管理される予定だ。

「私たちは、何が可能で、何が合理的かを判断しているところです」とサイモン氏は言う。「率直に言って、私たちは次の[衛星]について考えています。」

では、これらすべてのリンクは最終的に「量子インターネット」に進化するのでしょうか? 結局のところ、今日の従来のインターネットは、研究室と大学の間に張り巡らされた初期の接続ネットワークとして始まったのです。

それが実現するまでには、まだかなりの道のりがあり、その過程で克服すべき技術的な難問も数多くある。たとえば、量子コンピューターは絶対零度をわずかに上回る極低温で動作する必要がある。しかし、ほとんどの光ファイバーケーブルは極低温では動作しない。そのため、両者をつなぐには、温度差を克服する必要がある。

しかし、おそらく最大の課題は、量子ネットワークを実際に何から構築するかについて誰も合意していないことです。今日の量子ネットワークは、主に比較的単純な機器を使用しています。今後、科学者は、量子トリックを使用し、複製禁止の原則を回避し、より長い量子ネットワークを作成できる、より洗練されたノードを構築しようとしています。

「シリコンベースのトランジスタのようなものをまだ特定できていない」とデ・レオン氏は言う。

研究者の中には、ルビジウム蒸気に閉じ込めてキュービットを読み取ろうとする者もいる。磁石とレーザーのケージを使って同様のことをしたい者もいる。デ・レオン氏のグループは、文字通り素晴らしいもの、つまりダイヤモンドを使いたいと考えている。ダイヤモンドの「窒素空孔中心」と呼ばれる欠陥の一種は、一種の量子メモリとして機能する可能性がある。

「基本ユニットはまだ未定です」とデ・レオン氏は言う。

このような根本的な問題が解決されるまで、量子ネットワークは大部分が研究室の枠内にとどまることになるだろう。そして、量子ネットワークは興味深いかもしれないが、近い将来にインターネットを完全に置き換えることはありそうにない。

「古典的ネットワークを実用的な意味で使えるようにするには、量子ネットワークと並行して実行する必要があることはほぼ確実だ」とスラタリー氏は言う。