ORNLとEPB、量子ネットワーク保護の新方法をテスト

March, 6, 2026, Oak Ridge--エネルギー省(DOE)のオークリッジ国立研究所(ORNL)の研究者たちは、テネシー州チャタヌーガ(Chattanooga)の電力会社EPBおよびテネシー大学チャタヌーガ校(University of Tennessee at Chattanooga)と協力し、複数の波長チャネルと自動偏波安定化を用いて、商業ネットワーク上でダウンタイムなしでエンタングル量子信号を送信する初の実証を行った。

この革新的な技術の試験の成功は、既存のネットワークよりも高性能で安全であることが証明される可能性のある量子インターネットの最終的な構築に向けた新たな一歩となる。

この実証実験では、自動偏光補償(APC)を用いて、EPBの商用光ファイバ量子ネットワークを通じて送信される信号の偏光(電場振動方向)を安定化させた。この手法では、レーザで生成された参照信号を用いて、送信された偏波を継続的にチェックし、ヘテロダイン検波と呼ばれる超高感度方式で検出した。

APCは、風や温度変化などの外部要因によるデータ干渉を軽減し、量子信号を伝送する光ファイバケーブルに影響を及ぼす。

「われわれの目標の一つは、ユーザにとってシームレスに動作する量子通信システムの開発だった」と、この研究を主導したORNLの量子研究科学者Joseph Chapmanは話している。「これはこの方法の初の実証であり、比較的高速な安定化を可能にし、量子信号を保持しつつ、すべて100%稼働時間を実現した。つまり、送信の両端にいる人々は信号の中断に気づかず、計画的なダウンタイムの調整も不要である。」

この手法により、テネシー大学チャタヌーガ校キャンパスのノードと、それぞれ約半マイル離れた他の2つのEPB量子ネットワークノード間で、30時間以上途切れなく信号を連続送信することが可能になった。UTCノードには、ORNLの量子研究科学者Muneer Alshowkanによって開発された量子もつれ光子源が搭載されていた。

量子コンピューティングは情報を保存するために量子ビット(qubits)に依存している。量子ビットは、古典的な計算で使われる二進ビットとは異なり、量子重ね合わせによって同時に複数の状態に存在できるため、物理値の組み合わせを単一の物体に符号化することが可能である。

ORNLの研究では、光粒子、すなわちフォトンを量子ビットとして用い、偏光エンタングルメント量子ビットを量子エンタングルメント分布を介して光子対に伝達した。エンタングルド量子ビットは非常に複雑に絡み合っているため、一方が他方と独立して記述することはできない。このエンタングルメントにより、量子ビットに符号化された情報が物理的な空間移動なしに量子テレポーテーションによって一箇所から別の場所への伝達が可能になる。エンタングルメント分布と量子テレポーテーションは、より高度な量子ネットワークの基盤を形成している。

フォトンは偏光や光の他の特性によってqubitsとしてエンコードでき、既存の光ファイバケーブルシステムを通じて伝送できる。しかし、風や湿気、温度変化、ケーブルにかかるその他の応力はフォトンの偏光を乱し、信号に干渉することがある。ChapmanとORNLチームは、ネットワークを最大帯域幅で稼働させつつ、偏波を安定化させ干渉を減らす方法を見つけたいと考えていた。

「これまでのほとんどの解決策はすべての偏光に対応せず、定期的にネットワークをリセットするなどのトレードオフが必要だった。ネットワークを利用する人々は、それを稼働させる必要がある。われわれのアプローチはあらゆる種類の偏光を制御しており、ネットワークが定期的にシャットダウンする必要はない」(Chapman)。

ChapmanとAlsowkanは、エンタングルメント支援量子過程トモグラフィを用いて、エンタングルフォトンからのテスト信号を生成することで補償法をテストした。つまり、量子チャネル(例えばAPC付きの地下ファイバ)の特性を推定し、変化を測定することで補償法を検証した。APCが有効になると、送信は比較的安定し、ノイズ増加も最小限だった。

「聴覚の良い経験豊富なミュージシャンなら、2つの楽器が音程を外しているかどうかを聞き分けられる。われわれのAPCでも、基準信号をレーザで処理している」とChapmanは語っている。

Chapmanはこの手法の特許を申請している。次のステップとして、帯域幅と補償範囲を拡大し、より多様な条件下での高性能運転を可能にするためのアプローチの調整が含まれる。

「ORNLのような組織と協力することで、EPB Quantum Networkを研究者、スタートアップ、学術顧客のリソースとして今後も強化し続けるための貴重なフィードバックが得られる」とEPBのCEO、David Wadeは話している。「商業的に実現可能な量子ネットワークを立ち上げて以来、われわれはコミュニティが量子の未来の進歩から恩恵を受け、Chattanoogaを開発者と投資の目的地として確立するための準備を始めた。」

UTCの関係者は今後も支援を続けることを約束した。