量子インターネットの約束と課題
量子インターネットは、今日世界を接続している古典的なインターネットとは根本的に異なるものになるでしょう。古典的なビットでエンコードされた情報を送信するのではなく、量子ネットワークは量子ビットでエンコードされた量子情報を配布し、量子エンタングルメントの特性を利用して、古典的通信では物理的に不可能なアプリケーションを実現します。Quantum key distributionは理論的に破られない暗号化を提供します。分散型量子コンピューティングは量子プロセッサーをどの単一マシンよりも強力なシステムにリンクできます。ネットワーク化された量子センサーは古典的測定の限界を超える感度を達成できます。
課題は実装にあります。量子状態は非常に繊細です。測定されると崩壊し、環境と相互作用するとデコヒーレンスし、古典的なインターネット信号を距離にわたって拡張する古典的な中継ステーションを通じて増幅することができません。数キロメートル以上の距離でエンタングルメントを維持できる量子ネットワークを構築することは、過去20年間の量子ネットワーキングの中心的なエンジニアリングの課題です。
ダイヤモンドである理由
ダイヤモンドは技術的なアプリケーションとしては珍しい素材ですが、量子ネットワーキングの場合、独特で十分に適合したプロパティを持っています。ダイヤモンド内の窒素空孔（NV）センター（ダイヤモンド格子の空孔の隣に窒素原子がある結晶欠陥）は、レーザーおよびマイクロ波フィールドを使用して初期化、操作、および読み取ることができる量子システムです。これは、ミリケルビン冷却が必要ではなく室温で動作できる固体量子システムの少数の1つであり、インフラストラクチャ展開にとって重要な実用的な利点です。
ダイヤモンド内のNVセンターはフォトンにエンタングルでき、それらのフォトンを通じて遠い場所の他のNVセンターにもエンタングルできます。比較的長いコヒーレンス時間を持ちます。量子情報はマイクロ秒以上保持でき、これは量子誤り訂正プロトコルを実装するのに十分な長さです。そして、光ファイバーに結合できる波長範囲で単一フォトンを放出し、既存のファイバーインフラストラクチャと互換性があります。
ブレークスルーが達成したもの
報告されたブレークスルーは、実用的な量子ネットワークセグメントに向けた意味のあるステップを表す距離とレートでダイヤモンド量子ノード間のエンタングルメントの信頼できる生成を含みます。以前の実証ではNVセンター間のエンタングルメントを達成していましたが、非常に低い成功率でした。エンタングルメント生成には両方のノードが中央測定ステーションに到達するフォトンを同時に発する必要があり、フォトン放出効率、ファイバー伝送損失、および検出器効率の組み合わせは、成功したエンタングルメント イベントが数分ごとに1回だけ発生する可能性があることを意味します。
ドイツのチームの進歩は、ダイヤモンドサンプルの品質の向上（NVセンター放出を低下させる結晶欠陥と歪みを減らす）とNVセンターとファイバーネットワーク間の最適化された光学的結合の組み合わせにより、エンタングルメント生成率を向上させます。より高い忠実度を持つより高品質のエンタングルメント生成により、より短いセグメントを連鎖させることにより、より長い量子ネットワークリンクを構築するために必要な量子誤り訂正プロトコルが可能になります。
量子ネットワークインフラストラクチャへのパス
機能的な量子インターネットは、エンタングルされる可能性のある個々の量子ノードだけでなく、セグメント内にエンタングルメントを作成し、エンタングルメント スワップ操作を通じてそれらのセグメントを接続することでエンタングルメントを長距離にわたって拡張できる量子リピーターが必要です。ダイヤモンドNVセンターは、捕捉イオン、中立原子、およびシリコンベースの欠陥システムとともに、量子リピーターノードの主要な候補プラットフォームの1つです。
現在の研究は、プラットフォームが量子リピーターに対して実行可能であるかどうかを決定する主要なパフォーマンスメトリクスの1つに対処しています。それは隣接するノード間のエンタングルメント生成レートと忠実度です。このメトリクスが、量子ノードのコヒーレンス時間内で複数のエンタングルメント スワップ操作を実行できるレベルにプッシュできる場合、長距離量子ネットワークは実現可能になります。
ドイツは量子ネットワーキング研究の主要国の1つであり、量子インターネットテストベッドインフラストラクチャおよび学術産業協力プログラムへの多大な連邦投資があります。この研究は、ダイヤモンドNVセンター性能への数年間の段階的改善に基づいており、実用的な量子ネットワークの実証のタイムラインを近づけるそのプログラムのマイルストーンを表します。
商業的およびセキュリティへの影響
量子ネットワーキングは政府と民間企業の両方からの多大な投資を集めており、主にセキュリティアプリケーションによって駆動されています。最も成熟した量子ネットワーキングアプリケーションであるQuantum key distributionは、数学問題の計算上の硬さではなく、物理法則によってセキュリティが保証される暗号化キーを生成します。現在の公開鍵暗号を破る可能性のある量子コンピューターが実用的な能力にいっそう近づくにつれて、quantum-secureな通信は戦略的に重要になります。
ID QuantiqueおよびToshibaを含む複数の企業は、都市光ファイバーネットワークを介して商用QKDシステムを展開しています。ダイヤモンドベースの量子ネットワーキング研究は異なるティアを目指しています：国家および国際的なquantum-secure通信インフラストラクチャに必要な長距離（数百から数千キロメートル）にわたって量子ネットワーキングを拡張する量子リピーター技術です。
この記事はInteresting Engineeringのレポートに基づいています。元の記事を読む。
Originally published on interestingengineering.com
