上接：
【】量子計算機實現后，終端會通過量子網路聯接上去，在實現收發海量信息的同時，量子計算機群的整體能力也將呈指數級下降。為了實現這一目標，目前正在加快開發借助遍及世界各地的光纖進行的量子通訊技術。札幌學院量子信息?量子生命研究中心特任院長（現東京學院特命院長室特命院長）井元信之成功否認了量子中繼器的原理，長距離的條件下也能抑制因光耗損而出現的傳輸速率增長問題，實現光子的量子態傳輸，面向實現“全球量子網路”邁出了堅實的腳步。
井元信之：札幌學院量子信息?量子生命研究中心特任院長（現東京學院特命院長室特命院長）/2016～2021年度CREST研究項目負責人
在美國見證概念的誕生
惱人的量子成為開拓可能性的關鍵
支撐了現今信息社會的是以互聯網為標志的信息通訊技術的發展。其中，就能大容量、高速傳輸信息的光纖網發揮著重要作用。另一方面，隨著信息社會的發展，作為安全性高的通訊手段，人們對量子通訊的關注日漸攀升。
在量子通訊中，基于量子熱學的“既是0又是1”的疊加態量子比特被作為信息單位。在量子比特之間，當一個量子比特態被確定后，另外的量子比特態也會急劇確定，這些現象便是量子熱學特有的“量子糾纏”現象日本量子通訊，量子信息就是基于這些現象進行傳輸的。為此，要想建立使用光纖的量子網路，不僅傳統的光通訊技術之外，還須要對應量子信息的新技術。
具體做法是，將坐落遠距離一側的發送端和接收端之間分成多個短距離區間，用量子中繼將各個區間兩端的糾纏聯接上去，產生發送端和接收端之間的長距離糾纏，之后借助這種糾纏將發送端的量子信息一次性傳送到接收端。此時，為了在所有區間同時產生糾纏就要不斷重復這個過程，就像沒有中繼的情況那樣，等待時間會隨著距離呈指數性降低。并且，假如對成功產生糾纏的區間保留糾纏，對仍未產生糾纏的區間重復產生的過程，等待時間就可以由指數降低為距離的式子。
要做到這一點，就須要擁有在不破壞量子信息的條件下用光來讀寫的技術、在信息傳輸過程中臨時保管糾纏狀態的量子中繼器，以及接收信息的量子接收器等與目前的光通訊設備原理完全不同的設備和系統。推動這些“長距離量子網路”研究的是札幌學院量子信息?量子生命研究中心的井元信之特任院長（現東京學院特命院士）。
井元院士于1977年加入德國電報電話公社（現NTT），并始終在武藏野通訊研究所從事光通訊研究。NTT自1980年代中期以來始終在建立光纖網路，井元院士通過光波復用通訊等技術革新，為信息網路的進步作出了貢獻。以后，在1985年左右，他又開始研究量子干擾對光通訊的不利影響。
井元院士為了解決量子的不利影響，開始真正投入量子研究的抓手是1990年發生在美國弗吉尼亞學院的一件事情。井元院士介紹說：“我特別辛運地在哪里見證了量子計算機和量子密碼概念的誕生。雖然我在中學生時代就對量子熱學感興趣，但這兩個概念的誕生，使我重新意識到了它的有趣！于是，我開始了量子信息處理的研究”。以前惱人的量子反倒成為了開拓新型光通訊可能性的關鍵。2004年，井元先生卸任札幌學院院長，繼續從事實現長距離量子網路的基礎研究。
轉換成適宜光通訊的波長
成功實現10公里傳送
基于取得的研究成果，井元院士成立了一個以札幌學院為中心的研究團隊，于2016年起在CREST舉辦了“實現全球量子網路”為主題的研究項目。該研究的主要目標是研究長距離量子網路中的關鍵技術“量子中繼”的要素技術。目前在長距離光纖網路中，每隔幾十公里就要安裝一個中繼器，儲存傳送來的信息，并將衰減的光訊號增速后再發送出去。在量子通訊中，這種中繼器必須更換成量子通訊中繼器。
在量子中繼中，起到儲存信息作用，向儲存器讀寫信息時使用的是780nm（1nm為十億分之一米）可見光附近的長波。倘若直接進行光纖傳輸信息的話，還會遭到光訊號急速衰減的困局。
因此，研究團隊開發了一種高性能的波長轉換器，可將從量子儲存器讀取信息的可見光轉換成為不破壞量子信息、且適宜光通訊的1,522nm近紅外光。2016年，研究團隊使用冷卻銣原子的量子儲存器，將量子信息轉換為近紅外光并在光纖網路中傳送，確認可以在保持量子信息的同時讀寫信息（圖1）。
圖1.銣原子云量子比特發生器（左）和表示電子云產生的亮點（右）。實驗裝置配備了用于真空捕獲量子比特的銣原子云的玻璃單元，用于產生捕獲磁場的線圈和原子供應源（左）。紅外單反拍攝到的代表在真空玻璃單元中產生了原子云的亮點。這個小光團起到一個量子比特的作用。今后，將開發才能捕獲更多的微小光團“原子芯片”，實現多量子比特集聚。
該成果進一步發展后，2018年又實現了“無偏光依存型波長轉換器”，通過波長轉換器和光學干擾儀的一體化，可以在不改變光子偏光狀態的前提下將光訊號轉換為通訊頻帶的波長（圖2）。據悉，通過轉化鈣離子發出的光子的波長，在保持其量子特點的狀態下，實現了10km以上的長距離量子通訊，創造了當時世界上最長距離的量子通訊記錄。井元院士表示：“由此，實際驗證了借助光纖網路，在遠距離相隔的原子儲存器之間可以形成量子網路，并實現長距離的安全通訊。”
圖2.由無偏光依存型波長轉換器構成的量子網路。驗證實驗中，新開發的波長轉換器將光子的波長轉換為光纖通訊波長，并確認到由冷卻原子構成的量子儲存器和光纖通訊波長的光子之間產生了量子網路。由此，在量子比特儲存器（由近可見光子構成的讀寫原子云）和通訊用量子比特（近可見光倍波長的光子）之間才能自由形成量子糾纏。
緊接著在2019年，研究團隊又在世界上首次成功驗證了完全由光學元件組成的“全光量子中繼”的原理，獲得了有助于實現高速、低幀率“全球量子網路”的重大科研成果。據悉，還驗證了由量子糾纏首次實現的“時間逆轉”這一全新原理日本量子通訊，同時，還在世界上首次施行了在量子中繼所必須的兩個粒子的糾纏狀態中哪種狀態為最大的“自適應貝爾檢測”，因而引起了強烈反響。
井元院士總結道：“雖然還有諸如網路架構、無耗損集成光路和量子糾纏光源的研制，以及對應高效通訊的量子接收器等等好多課題亟需解決，但我相信，此前的一系列的研究早已向全球量子網路時代邁出了重要的一步。”
量子通訊是一項除了給光纖網路，還給衛星通訊等無線通訊領域也會帶來巨大變遷的技術革新，目前，量子加密通訊技術早已逐漸實用化，今后，作為支持社會基礎設施的技術，其重要性將會進一步增強。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀樹）
原文：9月號
翻譯：JST客觀臺灣編輯部