Fraunhofer ILT、量子インターネットノードを運用開始

June, 11, 2025, Aachen--FraunhoferILTは、オランダのパートナーTNOと共同開発した量子インターネットノードの運用を開始した。
このシステムは、オランダの研究センタQuTechがハーグとデルフトの間の量子エンタングルメントリンクを実証したネットワークノードとほぼ同じである。新しいノードは、研究プラットフォームとして機能する。FraunhoferILTは、産業界や科学界のパートナーとともに、ローカルネットワークでこのテストを行い、技術開発を続けている。同研究所は、量子周波数変換器、レーザ、光学、または単一光子源などのフォトニックコンポーネントに焦点を当てている。

量子インターネットはまだ初期段階にある。エンタングルされた量子の転送に使用できるため、不正アクセスからデータを保護する必要がある。オランダのQuTechは、この途上で重要なマイルストーンに到達した:デルフトとハーグの2つの固定量子ビットを25km以上の従来の通信光ファイバオプティクスでエンタングルした。言い換えれば、それはそれらを共同量子状態にした。フォトンは輸送媒体として機能し、NVセンタの量子状態と本質的にエンタングルしている。これらのフォトンを意図的にスーパーインポーズすることで、オランダの研究者は、エンタングルメントをネットワークノードの量子ビットに伝達することができた。そのような接続が存在する限り、エンタングルメントを中断またはコピーしようとするとすぐにそれが破壊されるため、送信は盗聴不能と見なされる。

「量子エンタングルメントによって保護されたインターネットは、量子コンピュータへの安全なリモートアクセスを可能にし、将来的にはフォトニッククライアントも経由して、利用可能な限られた量子ハードウェアを多くのユーザが利用できるようになる」と、Fraunhofer ILTのStrategic Mission Initiative Quantum Technologyの責任者、Dr.Bernd Jungbluthは説明している。さらに、量子インターネットは、従来のインフラストラクチャでは実現不可能だった新世代のデジタルアプリケーションを可能にするものと見なされている。たとえば、量子インターネットを使用すると、ユーザは送信された情報を完全かつ不可逆的に削除できる。量子物理学に基づく方法を使用して、内部告発などで情報が匿名で転送されるようにすることもできる。ブラインド量子コンピューティングも有望であると考えられている。これにより、ユーザは、オペレータが入力データ、アルゴリズム、または結果を表示できなくても、リモート量子コンピュータの計算能力にアクセスできる。複数の分散量子コンピュータを相互接続して高性能な全体システムを形成することも、将来の考えられるアプリケーションである。

フォトニックの主要コンポーネント
量子インターネット開発では、主にハーグ、デルフト、そして現在のアーヘンにあるようなフォトニックネットワークノードに研究が集中している。その中心にあるのは、ダイヤモンドの結晶格子にある窒素空孔であるNVセンタとして知られるダイヤモンドの色中心量子ビットである。ただし、他の欠陥も可能である。励起により、空孔に追加の電子が生成され、研究者がレーザ光、マイクロ波、電場および磁場を使用してエネルギー状態を制御できる量子システムが作成される。適切なプロトコルに従えば、励起されたNVセンタは、必要に応じて可視スペクトル範囲の単一光子を放出し、これはこの系の電子スピンとエンタングルし、光ファイバを介して接続された他のノードとのエンタングルメントに使用できる。

しかし、この光伝送は長距離にわたって限界に達するが、Fraunhofer ILTは、この限界を克服するためのソリューションを開発した:ほとんどノイズのない量子周波数変換器が、光子の波長を約1,550nmの低損失通信スペクトルにシフトする。「ネットワークノード間でスーパーポジション状態を交換するには、ラインのもう一方の端にできるだけ多くの光子を送り込む必要がある」とJungbluthは説明している。

North Rhine-Westphalia (NRW)が資金提供したプロジェクトの中で、同氏のチームはTNOと共同で新しいネットワークノードを開発した。その量子周波数コンバータに加えて、チームは、彼らが開発した光アセンブリも使用している。デルフトのTNOでの建設、テスト、試運転の成功後、JungbluthのチームはシステムをAachenに移し、Fraunhofer ILTに設置した。ここでは、システムはローカルのファイバインフラストラクチャに統合されている。同研究所は、ローカルネットワークでノードをテストし、主要なフォトニックコンポーネントに焦点を当てて、産業界や科学のパートナーとともに開発を続ける予定である。これらのコンポーネントには、量子周波数コンバータに加えて、単一光子源、検出器、レーザと光学系も含まれる。アーヘン工科大学のDr.Florian Elsenのジュニア研究グループと協力して、チームは他の量子ビットプラットフォームへのインタフェースにも取り組み、将来のヘテロジニアス量子ネットワークの基礎を開発する。

未来の量子インターネットのための核
Aachenのチームは、ノードの周りにフォトニック量子ハードウェアのオープンテストおよび開発環境を作成している。このプラットフォームはNRW州のパートナーだけでなく、ヨーロッパの研究機関や企業にも開放されている。彼らの目的は、未来の量子インターネットのためのインタフェース、プロトコル、コンポーネントを共同で開発し、その互換性を最初から監視することである。「このように、Fraunhofer ILTは、Quantum Internet Alliance(QIA)が追求しているように、ヨーロッパのネットワークに具体的な貢献をしている」(Jungbluth)。ノード技術で基盤が作られたので、将来のヨーロッパのテストネットワークの中心的なリンクとして確立する機会がある。

Aachenでの運用開始は、NRW州の量子技術の状態にとっても画期的な出来事であり、この種のものとしては初めてのこのノードは、ドイツで量子インターネットを開発するための出発点として機能する可能性がある。「将来的には、大都市規模の量子ネットワークに統合する計画がある」とJungbluthは報告し、最初の焦点はフォトニックビルディングブロックのテスト、最適化、小型化にあると付け加えている。この仕事は、Fraunhofer ILTが40年以上にわたって専門としてきた分野である基礎研究のノウハウを産業界に移転する役割も果たしている。

複雑な転送プロセス
ファイバベースの量子ネットワークを構築する際には、位相安定化や光子の極めて高精度なタイミングなど、多くの課題を解決するためにフォトニクスが必要になる。必要な精度は、場合によってはナノメートル(nm)の範囲である。これは、光の単一の振動周期よりも短いが、異なるノードからの区別できないフォトンが正確に位相の中点に到達し、Bell状態測定で重ね合わせる必要があるため、エンタングルメント交換を成功させるために重要である。フォトンがどのノードから来たのかを判断できないようにしなければならない。これは、静止量子ビットの安定性に最も厳しい要求を課す要件である。しかし、これらは非常に感度が高く、磁場や温度のわずかな変化でも、放出される波長に測定可能な変化をもたらす。同時に、量子ビットから放出されたフォトンのみが光ファイバに入ることができる。ランプやスイッチが入ったスマートフォンは、もつれた光子がノイズの海に消えてしまうため、検出器の近くで厳密に使用する必要がある。

Jungbluthは、ドイツとヨーロッパの高度に発達したフォトニクス産業と、何十年にもわたって獲得した専門知識のおかげで、課題を解決できると信じている。現在の課題は、テクノロジーを非常に堅牢で効率的なものにし、企業がリーズナブルなコストと時間で市場に出せる製品に変えることができるようにすることである。同氏のチームは、デルフトとハーグ間の成功したリンクの責任者であるRonald Hansonや、クォンタム・インターネット・アライアンス(QIA)ディレク、Stephanie Wehnerを創業者とするQuTechのスピンアウト企業であるデルフト・ネットワークスとも協力する。デルフトネットワークスチームは、量子ネットワークのプロトコルとアルゴリズム、およびノードハードウェアに関する専門知識を結集して提供する。「われわれ自身がFraunhofer ILTの専門知識を活用して、フォトニック対応技術とサブシステムをさらに開発する」と同氏は説明している。
(詳細は、https://www.ilt.fraunhofer.de)