量子ネットワーク実現に向けた研究開発

1．はじめに

量子ネットワークや量子インターネットは幅広い研究領域で用いられるが，ここでは，複数の量子演算処理を担うユニット（Quantum Processing Unit；QPU）を量子的に接続することで形成する量子ネットワークを対象とする。多くのQPUを接続した量子ネットワークは，大規模なネットワーク型量子コンピュータまたは分散型量子コンピュータとして動作する。また，QPUを長距離量子通信で接続することで，QPUを利用した量子中継が実現し，量子ビットの状態を任意のノードに送信できる量子インターネットが実現する。ここで，接続とは離れたQPU間に「量子もつれ」が共有されることを意味しており，この量子もつれを利用した量子テレポーテーションによって，量子ビットの状態を任意のノードに転送でき，ゲート操作を転送できる。QPUには一般的にエラーがあるが，誤り耐性のあるQPUが実現し，任意の量子操作ができるようになれば，万能な量子コンピュータとしてネットワーク型量子コンピュータが動作する。量子中継に用いる場合は，誤り耐性までは必要がなく，より容易に実現する可能性がある。

この接続可能なQPUを実現するためには，図1のようにQPUと量子もつれにある物理系を送信し，別のQPUにその物理系の状態を移すことができる必要がある。何も送らずにQPU間に量子もつれを共有することは，量子力学の法則に反するため，不可能である。QPUを構成する物理系によって，様々な量子もつれの送信方法があり得るが，ここでは，真空中にトラップされた中性原子アレイを使ったQPUと，その中性原子から発光する光子との量子もつれを生成し，光子を介して別のQPUと量子もつれを共有する場合を考える。まず，この中性原子からなる量子コンピュータを以下で紹介する。