中国科学技術大学（USTC）、2026年に量子中継器の画期的な進歩を達成

2026年初頭、中国科学技術大学 (USTC)の研究者たちは、スケーラブルな量子中継器の構成要素を実証することにより、量子コンピューティングおよび通信における画期的な進展を達成した。Nature誌に掲載されたこの成果は、長寿命のトラップイオン量子メモリと効率的な通信インターフェースを活用し、10キロメートルの光ファイバー上で量子もつれを確立した。Hao Li、Yi Yang、Ye Wangらが率いるチームは、遠隔量子状態の急速なデコヒーレンスを克服することで、都市規模の量子ネットワークが物理的および技術的に実現可能であることを示す初の実際的な証拠を提示した。

グローバルな量子インターネットの構想は、量子通信、量子計測、そして分散量子コンピューティングのシームレスな統合にかかっている。このようなネットワークは、情報の処理とセキュリティのあり方にパラダイムシフトをもたらし、高分解能センシングや計算タスクの指数関数的な高速化を実現すると期待されている。しかし、このネットワークの物理的基盤には、地理的に広大な領域にわたって量子もつれ（距離に関係なく粒子がつながり続ける現象）を確定的に配信することが求められる。最近まで、長距離にわたってこれらの脆弱な接続を維持するために必要なインフラは、業界における最も重要な「ミッシングリンク」であった。

量子中継器は光ファイバーにおける光子損失をどのように解決するのか？

量子中継器は、長い通信リンクを短いセグメントに分割し、信号を直接増幅することなく、量子もつれ交換を用いてそれらを接続することで、光ファイバーにおける光子損失を克服する。リンク確立の確認を待つ間に情報を保存する量子メモリを採用することで、これらの中継器は長距離伝送中に通常発生するデコヒーレンスを防止する。この手法は、古典的な信号が増幅されるのと同様の方法で量子状態を増幅することを禁じる複製不能定理を効果的に回避するものである。

従来の光ファイバー通信では、光の強度を高める増幅器によって信号損失が管理されている。しかし、量子コンピューティングと通信の領域では、量子状態をコピーまたは増幅しようとするいかなる試みも元の情報を破壊してしまうため、標準的な増幅器は使用できない。ガラスファイバーにおけるこの指数関数的な光子損失は、歴史的にファイバーベースの量子通信を比較的短距離に制限してきた。量子中継器は、ローカルなセグメント内で量子もつれを生成し、その量子もつれを次のセグメントに「交換」することでこれに対処し、信号の複製を必要とせずに数百、さらには数千キロメートルに及ぶ連続的なリンクを構築する。

2026年に量子中継器においてどのような最近の画期的進展があったのか？

2026年の主な突破口は、長寿命のトラップイオンメモリと高可視性の単一光子量子もつれプロトコルの開発により、10kmにわたるメモリ間の量子もつれを確立したことである。Hao Liらによるこの研究は、量子もつれの確立に要する時間を上回る生存時間を達成し、遠隔量子メモリにおける急速なデコヒーレンスという重大なボトルネックを解決した。これは、理論的な研究室レベルの設計から、都市規模の量子コンピューティングネットワークを支えることが可能な機能的ハードウェアへの移行を意味する。

USTCのチームが採用した手法には、いくつかの主要な技術革新が含まれている。第一に、他の固体素子システムと比較して大幅に長いコヒーレンス時間を提供するトラップイオン技術を利用した。第二に、イオンの内部量子状態を既存の光ファイバーインフラと互換性のある光子に変換する効率的な通信インターフェースを開発した。これにより研究者たちは、量子もつれを確立するのにかかる平均時間内に、10kmのファイバーリンク上でメモリ間量子もつれを維持することに成功した。この同期は、ネットワークの拡張に不可欠な前提条件であり、チェーン内の次のリンクが準備できる前に量子情報が消失しないことを保証する。

量子中継器はどのようにデバイス依存性のない量子鍵配送（DI-QKD）を可能にするのか？

量子中継器は、直接のファイバーリンクでは不可能な距離にわたって高忠実度の量子もつれ配信を拡張することにより、デバイス依存性のない量子鍵配送（DI-QKD）を可能にする。漸近限界において101キロメートルを超える正の秘密鍵レートを検証することで、USTCのチームは、量子中継器が「ハッキング不可能」な通信を促進できることを実証した。これにより、ハードウェアの内部的な不完全性に関わらず、物理法則によって通信のセキュリティが保証される。

都市規模でのDI-QKDの実証は、おそらくこの研究の最も重要な直接的応用である。チームは、10kmの距離において、約405,000のベル対から1,917の秘密鍵を抽出することに成功した。これ以前、DI-QKDは距離によって厳しく制限されていたが、今回の新しい研究は、到達可能な範囲を2桁以上拡大した。政府、金融、および個人データのセキュリティにとって、これは量子暗号が最も洗練された古典的または量子ハッキングの試みからもデータを保護する未来への転換を象徴している。

これらの中継器はスケーラブルなアーキテクチャのための基本的な「構成要素」として機能するため、量子コンピューティング分野への影響は多大である。量子もつれを確立し、蒸留（精製）と交換を行うのに十分な時間保持できることを証明したことで、Hao Liとその同僚たちは、マルチノードネットワークの青写真を提供した。101kmにわたって正の鍵レートを達成できる能力は、量子ノードを現在の古典的なインターネットハブと同様の間隔で配置できる段階に近づいていることを示唆しており、世界を古典的通信から量子セキュアな通信へと移行させるハイブリッドなインフラストラクチャを可能にする。

今後、量子コンピューティング研究の焦点は、これらの中継器モジュールの既存の商用ファイバーネットワークへの統合へと移るだろう。USTCチームおよび広範な科学界にとっての「次なるステップ」は、量子もつれ蒸留プロセスを最適化して秘密鍵レートをさらに向上させ、ネットワークを拡張してメッシュ構成の複数のノードを含めることである。これらのシステムが10kmから100km、そして最終的にはグローバルな規模へと移行するにつれ、安全で相互接続された量子インターネットの夢は、理論物理学の領域からグローバルな電気通信の現実へと動き出している。

• 主要研究: スケーラブルな量子ネットワークのための量子中継器の構成要素。
• 筆頭著者: Hao Li, Yi Yang, Ye Wang (USTC).
• 主要なマイルストーン: 10kmのファイバー量子もつれと101kmの漸近的性能。
• テクノロジー: トラップイオン量子メモリと通信インターフェース変換。
• セキュリティへの応用: デバイス依存性のない量子鍵配送（DI-QKD）における画期的進展。