長距離量子通信の実現化へ向けた研究

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本研究では、量子中継を多角的に解析することで、量子通信技術の要素技術のあり方とその性能を明らかにすることを目指した。まず、量子中継システムの比較、検討をすすめ、量子メモリーの導入方法を検討した。光の減衰により成功確率が通信距離に対して指数的に減少することが、中・長距離量子通信上の本質的な問題である。この問題を解決するために、量子鍵配送スキームに量子メモリーを導入し、光の減衰による成功確率の指数的な減少を防ぐ方式を考え、モデルを用いて量子メモリーの動作を数値的に解析した。これをもとに、量子メモリーの効果を、量子がある場合とない場合で量子鍵配送スキーム全体の性能を数値的に解析し、量子メモリーによる優位性を数値的に明らかにした。特に、協力係数の低い領域でも十分に量子メモリーによる優位性が得られることがわかり、実装へ向けた有利な性質を引き出すことに成功した。量子鍵配送や量子中継において、実現に必要とされるリソースの観点から、量子メモリーや効果的な通信スキームの検討を行った。ダイヤモンドの結晶中に形成されるNVセンターを候補として、その量子メモリーとして性質を解析した。物理的なリソースの低減化を可能にする量子中継システムの有り方を検討するために、量子メモリーを用いた量子中継システムを雛形にして、新しい量子プロトコルを開発した。この新しい方法を量子マルチプレキシング方法と呼び、その優位性を数値的に示した。また、システム性能評価では、生成レートをシステム全体に必要となる物理的なリソースで規格化した生成レートを用いることとし、エンタングルメント精製方法の比較を行った。量子マルチプレキシングを用いた場合、Deutschのエンタングルメント精製方法と比較して、最適化したエンタングルメント精製方法は、規格化された生成レートの向上が可能であることを数値的に示した。