量子通信

量子通信とは

量子通信は、量子力学の性質を利用して情報を安全に伝えたり、離れた量子系を量子的につないだりする研究分野です。主に光子を情報の担い手として使い、量子状態や量子もつれの性質を通信に生かします。

研究の大きな流れとして、情報を安全に伝える「量子暗号」と、離れた量子系をつなぐ「量子ネットワーク」があります。どちらの研究でも、通信性能や安全性の限界を明らかにする量子情報理論が重要な基盤になります。

安全に情報を伝える

量子暗号の代表的な技術が、量子鍵配送（Quantum Key Distribution: QKD）です。QKDでは、量子状態を測定すると信号に影響が現れる性質などを利用し、盗聴の有無を検出しながら暗号鍵を共有します。安全性を計算機の処理能力だけに頼らず、量子力学の原理に基づいて保証できることが大きな特徴です。

QKDには、特別な量子光源を使わず、レーザー光で実現できる方式もあります。実際の光ファイバ網を使った実証やネットワーク化、標準化も進んでいます。武岡研究室でも、情報通信研究機構（NICT）をはじめとする研究機関と連携し、QKDネットワークの技術開発や標準化に携わっています。

離れた量子系をつなぐ

もう一つの大きな流れが、量子もつれを利用して量子コンピュータや量子センサーなどをつなぐ量子ネットワークです。複数の量子機器をネットワーク上で量子的に接続し、新しい情報通信技術を実現する「量子インターネット」へつながる研究でもあります。

ただし、量子もつれは通信路の損失や雑音の影響を受けやすく、長距離へそのまま届けるのは容易ではありません。そのため、途中で量子もつれを接続しながら伝送距離を伸ばす量子中継や、損失に強い通信プロトコルが研究されています。量子ネットワークの用途は通信に限らず、離れた場所で協調して計測する量子センシングなどにも広がっています。

通信の限界を考える量子情報理論

量子暗号や量子ネットワークでは、どこまで安全に、どれだけ多くの情報を伝えられるのかという基本的な限界も重要な研究対象です。その限界を理論的に明らかにするのが量子情報理論です。

古典通信では、シャノンの情報理論によって、雑音のある通信路でどこまで正確に情報を伝えられるかを議論します。量子情報理論では、この考え方と量子力学を組み合わせ、量子通信路の性能や安全性、量子もつれの性質などを調べます。こうして得られる限界は、具体的な通信方式やネットワークを設計する際の指針になるだけでなく、量子力学そのものを理解する手がかりにもなります。

武岡研究室の量子通信研究

武岡研究室では、量子情報理論から量子ネットワークの設計、光を使った原理実証まで、理論と実験の両面から量子通信を研究しています。量子情報の基礎理論、新しい通信プロトコル、量子ネットワークのシステム設計を考える一方で、量子もつれ光源や光ファイバ、単一光子検出器を用いた実験にも取り組んでいます。

具体的な研究テーマやメンバーについては「量子通信・理論」と「量子通信・実験」の各チームページで紹介しています。

量子通信・理論

量子鍵配送・量子中継・量子ネットワークセンシングなどを対象として通信方式の安全性と性能および量子ネットワークの構成を理論的に研究しています。

量子通信・理論

量子通信・実験

光子や光ファイバを使い、量子もつれの生成・伝送・接続を実験しています。量子通信と既存の光通信を同じネットワークで利用するための技術にも取り組んでいます。

量子通信・実験