研究内容

本プロジェクトでは、量子コンピュータのハードウェアを量子的に結合して分散型の大規模量子コンピュータの実現に必要となる量子通信ネットワークの研究開発を行います。具体的には、マイクロ波光子と量子メモリ、量子メモリと通信用光子をそれぞれ量子接続する量子インターフェース技術の開発を行い、最終的にこれらを融合することで計算用量子ビットと通信用光子間の量子インターフェース技術を確立します。
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２０３０年までに、量子インターネット構築への大きな第一歩、量子中継ネットワークの基礎を構築します。 ２０２５年までに、ダイヤモンド量子メモリとオプトメカニカル結晶を融合した、次世代のハイブリッド量子インターフェースを開発し、量子メモリ同士の量子接続が可能になります。

２０２３年までに、最適な量子光源、量子メディア変換などの技術開発により、ハイブリッド量子インターフェースの実現が可能になります。

テレポーテーションとは、SFで物質を瞬間移動することを意味しますが、これは不可能です。ところが、量子（りょうし）の世界ではこれが可能です。 量子というのは電流の構成要素である電子（でんし）や光の構成要素である光子（こうし）といった波のように振る舞う根源的な粒子のことです。この波のような性質を、離れた場所に瞬間移動のように伝える技術を量子テレポーテーションと呼びます。我々はこのような量子テレポーテーショ ンをダイヤモンドを用いて実現しました。

ダイヤモンドは炭素（12C）で構成されています。この炭素の一つが欠け（左図中のV）、その隣の炭素が窒 素（左図中のN）に置き換わった複合欠陥をNV中心と呼びます。その周囲には、中性子が一つ多い炭素同位体（13C）が天然で約１％存在します。このような量子の小宇宙で、光子と中性子を「量子もつれ」という状態にして、光子から中性子への量子テレポーテーションの実験を行いました。量子もつれとは簡単にいうと、離れた地点にある２つの量子が相互関連性を持つ状態のことです。

量子テレポーテーションの原理を説明します。まず、欠陥に捕まった電子と炭素同位体の中性子を量子もつれ状態に準備します。その後、外から入ってきた光子が電子に吸収されて特殊な状態に遷移したときに、光子の状態が炭素同位体の中性子に転写されます。この際、中性子は光子とは直接相互作用していないため、テレポーテーションに例えられます。

量子コンピュータを使うと、これまでのデジタルコンピュータでは宇宙の終わりまで計算時間を要するような問題に数日で答えられるようになります。私たちは、量子テレポー テーションを繰り返すことで、この量子コンピュータを量子通信でつないだ量子インター ネットを構築しようとしています（右図）。 量子インターネットの実現により大量のデータを安全に送受信できるようになり、社会が大きく変わると考えられています。世界に量子インターネットが繫がる瞬間をとても楽しみに待ち望んでいます。