MTC2018 - 量子情報時代の通信技術：量子インターネット

Speaker: 永山 翔太

量子情報時代の通信について概説する。量子インターネットは今のインターネットとは異なる原理（量子力学）で動き、任意の2ノード間にエンタングルメントを生成する基盤である。当然、利点も異なる。例えば、「完全に安全な暗号通信」を実現するための基盤となる。また、量子コンピュータは、エンタングルメントと重ね合わせを用いて大量の状態を同時に扱う。この特性上、量子メモリサイズが重要である。量子コンピュータ同士を通信で繋げて分散量子計算を行うことで、より大きな計算力を得られる。また、エンタングルメントは量子力学の基本的な物理特性なので、様々な科学実験にも役立つ。この他、現在の量子インターネットの研究開発状況についても触れる。このセッションを通して、将来の通信の姿に少しでも想いを馳せてもらえたら幸いである。

Transcript

1. 量子情報時代の通信技術： 量子インターネット 永山 翔太 R4D Senior Researcher
2. 量子情報時代の通信技術 量子インターネット
3. R4D Senior Researcher Shota Nagayama
4. Research for Design Development Deployment Disruption テクノロジーを社会実装し Disruptionを目指す研究開発組織 R4Dとは Research Area • AI/ML • Blockchain • Computer Network • Energy • Internet Governance • Logistics • Robotics • Robot and Sociality • Quantum Computing ◦ Quantum Internet ◦ Circuit-based QC ◦ Quantum Annealing • Satellite Data • XR(AR/VR/MR)
5. R4Dの研究の中での量子インターネットの位置付け • 古典コンピュータも通信能力で大発展 量子計算でも当然そう考えて行動するべき ◦ 新インフラへの研究投資 • メルカリ・メルペイ等の事業との関連 ◦ 来る量子時代のセキュリティ水準を押さえて いないと、インターネット上で経済活動できない
6. 今日のお題 • 量子計算とは • Trusted node の量子鍵配送ネットワーク ◦ 古典コンピュータのための量子ネットワーク • 量子中継機による真の量子インターネット ◦ 量子コンピュータのための量子ネットワーク
7. 今日のお題 • 量子計算とは • Trusted node の量子鍵配送ネットワーク ◦ 古典コンピュータのための量子ネットワーク • 量子中継機による真の量子インターネット ◦ 量子コンピュータのための量子ネットワーク
8. 量子コンピュータとは 量子ビットは　 　個の状態を持つ 各確率は複素振幅で表現される（ので干渉が起こる） 重ね合わせで、 各状態の確率が存在する 問題の解へ 確率が集まる n=1 n=2 n=3 0 00 01 000 001 010 011 1 10 11 100 101 110 111
9. 量子コンピュータとは 各確率は複素振幅で表現される（ので干渉が起こる） 重ね合わせで、 各状態の確率が存在する 問題の解へ 確率が集まる n=1 n=2 n=3 0 00 01 000 001 010 011 1 10 11 100 101 110 111 ここの速さが 計算速度を決める 量子ビットは　 　個の状態を持つ
10. 量子コンピュータ（と言うか量子力学）のふしぎ１ 何故こうなってるかは人類の誰も知らないが、自然現象がそうなってるから便利に使おう！ 0 1 量子コンピュータ 0と1が半々 かなり0っぽいが 1っぽさもある かなり1っぽいが 0っぽさもある ・・・ 古典コンピュータ 0 1
11. 量子コンピュータ（と言うか量子力学）のふしぎ１ 何故こうなってるかは人類の誰も知らないが、自然現象がそうなってるから便利に使おう！ 0 1 量子コンピュータ 0と1が半々 かなり0っぽいが 1っぽさもある かなり1っぽいが 0っぽさもある 量子状態の 「重ね合わせ」 { ・・・ 古典コンピュータ 0 1
12. 量子コンピュータ（と言うか量子力学）のふしぎ１ 何故こうなってるかは人類の誰も知らないが、自然現象がそうなってるから便利に使おう！ 古典コンピュータ 0 1 量子コンピュータ 0と1が半々 かなり0っぽいが 1っぽさもある かなり1っぽいが 0っぽさもある 0 1 量子状態の 「重ね合わせ」 { ・・・ 量子世界という壁
13. 量子コンピュータ（と言うか量子力学）のふしぎ１ 何故こうなってるかは人類の誰も知らないが、自然現象がそうなってるから便利に使おう！ 古典コンピュータ 0 1 量子コンピュータ 0と1が半々 かなり0っぽいが 1っぽさもある かなり1っぽいが 0っぽさもある 0 1 量子状態の 「重ね合わせ」 { ・・・ 古典世界の住人 による測定 量子世界という壁
14. 量子コンピュータ（と言うか量子力学）のふしぎ１ 何故こうなってるかは人類の誰も知らないが、自然現象がそうなってるから便利に使おう！ 古典コンピュータ 0 1 量子コンピュータ 0と1が半々 かなり0っぽいが 1っぽさもある かなり1っぽいが 0っぽさもある 0 1 量子状態の 「重ね合わせ」 { ・・・ この2つの どちらかになる （古典的な状態に” 射影”される）
15. 量子ビットは　 　個の状態を持つ 量子コンピュータとは 各確率は複素振幅で表現される（ので干渉が起こる） 重ね合わせで、 各状態の確率が存在する 問題の解へ 確率が集まる n=1 n=2 n=3 0 00 01 000 001 010 011 1 10 11 100 101 110 111 最後に 測定 量子世界という壁
16. 量子コンピュータ（と言うか量子力学）のふしぎ１ 何故こうなってるかは人類の誰も知らないが、自然現象がそうなってるから便利に使おう！ 0 1 量子コンピュータ 0と1が半々 かなり0っぽいが 1っぽさもある かなり1っぽいが 0っぽさもある 量子状態の 「重ね合わせ」 { ・・・ 基底ベクトル 基底ベクトル 量子状態の定式化
17. 量子コンピュータ（と言うか量子力学）のふしぎ１ 何故こうなってるかは人類の誰も知らないが、自然現象がそうなってるから便利に使おう！ 0 1 量子コンピュータ 0と1が半々 かなり0っぽいが 1っぽさもある かなり1っぽいが 0っぽさもある 量子状態の 「重ね合わせ」 { ・・・ 基底ベクトル 基底ベクトル 量子状態の定式化 0っぽさ （複素数） 1っぽさ （複素数）
18. 量子コンピュータ（と言うか量子力学）のふしぎ１ 何故こうなってるかは人類の誰も知らないが、自然現象がそうなってるから便利に使おう！ 0 1 量子コンピュータ 0と1が半々 かなり0っぽいが 1っぽさもある かなり1っぽいが 0っぽさもある 量子状態の 「重ね合わせ」 { ・・・ 基底ベクトル 基底ベクトル 量子状態の定式化 よくある書き方 0っぽさ （複素数） 1っぽさ （複素数）
19. 干渉で　　　の 成分がなくなった 量子コンピュータ（と言うか量子力学）のふしぎ２ • 干渉 何故こうなってるかは人類の誰も知らないが、自然現象がそうなってるから便利に使おう！ 干渉を起こす量子ゲート 初期状態 終状態
20. 量子コンピュータとは 各確率は複素振幅で表現される（ので干渉が起こる） 重ね合わせで、 各状態の確率が存在する 問題の解へ 確率が集まる n=1 n=2 n=3 0 00 01 000 001 010 011 1 10 11 100 101 110 111 量子ビットは　 　個の状態を持つ
21. 量子コンピュータ（と言うか量子力学）のふしぎ３ • 量子もつれ 何故こうなってるかは人類の誰も知らないが、自然現象がそうなってるから便利に使おう！ 2量子状態 分解可能 （違う量子だし当たり前だよね！） 分解可…アレ！？→量子もつれ 　 ？ 　 ？ 25% 2量子状態 の4基底 25% 25% 25% 50% 0% 0% 50%
22. 量子コンピュータとは 各確率は複素振幅で表現される（ので干渉が起こる） 重ね合わせで、 各状態の確率が存在する 問題の解へ 確率が集まる n=1 n=2 n=3 0 00 01 000 001 010 011 1 10 11 100 101 110 111 量子ビットは　 　個の状態を持つ
23. 様々な量子アルゴリズム • 量子の性質をそのまま使う：超多項式的加速 ◦ 量子シミュレーション→創薬、材料開発 • 問題の構造をexploit：超多項式的加速 ◦ 素因数分解、離散対数問題、パターンマッチング、 PCA、半正定値計画問題（近似）、etc. • 汎用的に干渉を取り扱う：多項式的加速 ◦ 逆関数計算（検索）、etc. • http://math.nist.gov/quantum/zoo/ • https://www.qmedia.jp/tag/quantum-algorithm/
24. 量子コンピュータとは 各確率は複素振幅で表現される（ので干渉が起こる） 重ね合わせで、 各状態の確率が存在する 問題の解へ 確率が集まる n=1 n=2 n=3 0 00 01 000 001 010 011 1 10 11 100 101 110 111 ここの速さが 計算速度を決める 量子ビットは　 　個の状態を持つ
25. 今日のお題 • 量子計算とは • Trusted node の量子鍵配送ネットワーク ◦ 古典コンピュータのための量子ネットワーク • 量子中継機による真の量子インターネット ◦ 量子コンピュータのための量子ネットワーク
26. 0 1 0と1が半々 （位相が＋） 量子鍵配送とは 0と1が半々 （位相がー） Alice Bob ランダムに選んだ状態
27. 0 1 0と1が半々 （位相が＋） 量子鍵配送とは 0と1が半々 （位相がー） Alice Bob ランダムに選んだ状態
28. 0 1 0と1が半々 （位相が＋） 量子鍵配送とは 0と1が半々 （位相がー） Alice Bob ランダムに選んだ状態 Eve
29. 0 1 0と1が半々 （位相が＋） 量子鍵配送とは 0と1が半々 （位相がー） Alice Bob ランダムに選んだ状態 Eve
30. 0 1 0と1が半々 （位相が＋） 量子鍵配送とは 0と1が半々 （位相がー） Alice Bob ランダムに選んだ状態 Eve 量子世界
31. 0 1 0と1が半々 （位相が＋） 量子鍵配送とは 0と1が半々 （位相がー） Alice Bob ランダムに選んだ状態 Eve 観測
32. 0 1 0と1が半々 （位相が＋） 量子鍵配送とは 0と1が半々 （位相がー） Alice Bob ランダムに選んだ状態 Eve 観測 0 勘違いして偽造
33. 0 1 0と1が半々 （位相が＋） 量子鍵配送とは 0と1が半々 （位相がー） Alice Bob ランダムに選んだ状態 0 食い違い
34. 0 1 0と1が半々 （位相が＋） 量子鍵配送とは 0と1が半々 （位相がー） Alice Bob ランダムに選んだ状態 0 食い違い 鍵の一部を照合すると 盗聴者の存在が浮かび上がる
35. 量子通信と厄介な点 • 光子に情報を書き込む通信 • 光信号の損失 ＝ 光子の損失 ＝ 量子情報の損失 • 量子世界の壁があるのでアンプ等もできない ＝ 遠くまで飛ばせない
36. Trusted Node の 量子鍵配送ネットワーク 量子鍵配送 デバイス 量子鍵配送 量子鍵配送 量子鍵配送 Alice Bob • “量子通信”は1hop のみ可能と割り切る • 各リンクの鍵は 量子鍵配送で作る • 古典インターネット上で 量子セキュアに鍵配送 （鍵カプセル化）
37. Trusted Node の 量子鍵配送ネットワーク 量子鍵配送 デバイス 量子鍵配送 量子鍵配送 量子鍵配送 Alice Bob • “量子通信”は1hop のみ可能と割り切る • 各リンクの鍵は 量子鍵配送で作る • 古典インターネット上で 量子セキュアに鍵配送 （鍵カプセル化）
38. Trusted Node の 量子鍵配送ネットワーク 量子鍵配送 デバイス 量子鍵配送 量子鍵配送 量子鍵配送 Alice Bob • “量子通信”は1hop のみ可能と割り切る • 各リンクの鍵は 量子鍵配送で作る • 古典インターネット上で 量子セキュアに鍵配送 （鍵カプセル化）
39. Trusted Node の 量子鍵配送ネットワーク 量子鍵配送 デバイス 量子鍵配送 量子鍵配送 量子鍵配送 Alice Bob • “量子通信”は1hop のみ可能と割り切る • 各リンクの鍵は 量子鍵配送で作る • 古典インターネット上で 量子セキュアに鍵配送 （鍵カプセル化）
40. Trusted Node の 量子鍵配送ネットワーク 量子鍵配送 デバイス 量子鍵配送 量子鍵配送 量子鍵配送 Alice Bob • “量子通信”は1hop のみ可能と割り切る • 各リンクの鍵は 量子鍵配送で作る • 古典インターネット上で 量子セキュアに鍵配送 （鍵カプセル化）
41. Trusted Node の 量子鍵配送ネットワーク 量子鍵配送 デバイス 量子鍵配送 量子鍵配送 量子鍵配送 Alice Bob • “量子通信”は1hop のみ可能と割り切る • 各リンクの鍵は 量子鍵配送で作る • 古典インターネット上で 量子セキュアに鍵配送 （鍵カプセル化）
42. Trusted Node の 量子鍵配送ネットワーク 量子鍵配送 デバイス 量子鍵配送 量子鍵配送 量子鍵配送 Alice Bob • “量子通信”は1hop のみ可能と割り切る • 各リンクの鍵は 量子鍵配送で作る • 古典インターネット上で 量子セキュアに鍵配送 （鍵カプセル化）
43. Trusted Node の 量子鍵配送ネットワーク 量子鍵配送 デバイス 量子鍵配送 量子鍵配送 量子鍵配送 Alice Bob Eve • “量子通信”は1hop のみ可能と割り切る • 各リンクの鍵は 量子鍵配送で作る • 古典インターネット上で 量子セキュアに鍵配送 （鍵カプセル化）
44. Trusted Node の 量子鍵配送ネットワーク 量子鍵配送 デバイス 量子鍵配送 量子鍵配送 量子鍵配送 Alice Bob Eve • “量子通信”は1hop のみ可能と割り切る • 各リンクの鍵は 量子鍵配送で作る • 古典インターネット上で 量子セキュアに鍵配送 （鍵カプセル化）
45. Trusted Node の 量子鍵配送ネットワーク 量子鍵配送 デバイス 量子鍵配送 量子鍵配送 量子鍵配送 Alice Bob • “量子通信”は1hop のみ可能と割り切る • 各リンクの鍵は 量子鍵配送で作る • 古典インターネット上で 量子セキュアに鍵配送 （鍵カプセル化） • ノードが全て信頼できる 前提＝Trusted Node Eve
46. Trusted Node の量子鍵配送ネットワークの大規模実験例 http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/11/7/075001 http://www.ntt.co.jp/news2010/1010/101014a_1.html https://medium.com/@ASMLcompany/start-your-engines-the-race-to-quantum-computing-is-on-14c3076a5c47 中国：2000km に渡るQuantum Backbone （北京、済南、合肥、上海を繋ぐ） 日本：東京QKDネットワーク（2010年） The SECOQC quantum key distribution network in Vienna （2008年）
47. 今日のお題 • 量子計算とは • Trusted node の量子鍵配送ネットワーク ◦ 古典コンピュータのための量子ネットワーク • 量子中継機による真の量子インターネット ◦ 量子コンピュータのための量子ネットワーク
48. 量子中継機による量子インターネット • セキュリティ（完全安全な暗号通信 etc.） ◦ 量子鍵配送、量子署名、量子認証、 秘匿量子計算、etc. • 量子センサーネットワーク ◦ 時刻同期、超長基線電波干渉計、etc. • 分散量子計算 ◦ 量子計算を指数的にパワーアップ
49. 量子インターネットの仕組み 量子もつれ生成 量子もつれ生成 量子もつれ生成 量子リピーター • 任意のノード間に 量子もつれを生成する ネットワーク • 中間ノードは量子中継機
50. 量子インターネットの仕組み 量子もつれ この状態を作りたい！ 量子リピーター • 任意のノード間に 量子もつれを生成する ネットワーク • 中間ノードは量子中継機
51. 量子テレポーテーション 量子もつれ 量子A 量子B 量子C CNOT gate
52. 量子もつれ 量子A 量子B 量子C ある種のパリティ測定 量子テレポーテーション CNOT gate
53. 量子A 量子B 量子C ある種のパリティ測定 量子テレポーテーション CNOT gate
54. 量子A 量子B 量子C 測定結果を反映 ある種のパリティ測定 量子テレポーテーション CNOT gate
55. 量子A 量子B 量子C 測定結果を反映 ある種のパリティ測定 量子テレポーテーション CNOT gate 量子Aの状態がCに出てくる！ BとCが如何に遠く離れていようと関係ない
56. 量子A 量子B 量子C ある種のパリティ測定 測定結果を反映 量子Aの状態がCに出てくる！ BとCが如何に遠く離れていようと関係ない →本当に送りたい情報は量子 A 　量子Aの損失が怖いから、 　損失のある環境（ファイバー等）では 　まず量子もつれBCを作ってから 　量子テレポーテーションで Aを送る 量子テレポーテーション CNOT gate
57. 量子インターネットの仕組み 量子もつれ生成 量子もつれ生成 量子もつれ生成 量子リピーター • 任意のノード間に 量子もつれを生成する ネットワーク • 中間ノードは量子中継機
58. 量子インターネットの仕組み • 任意のノード間に 量子もつれを生成する ネットワーク • 中間ノードは量子中継機 • 古典インターネットで 測定結果をエンドノードへ 通知、量子ビットに フィードバック 量子もつれ生成 量子もつれ生成 量子もつれ生成 量子リピーター ある種の パリティ測定 ある種の パリティ測定
59. 量子インターネットの仕組み 量子もつれ 量子リピーター • 任意のノード間に 量子もつれを生成する ネットワーク • 中間ノードは量子中継機 • 古典インターネットで 測定結果をエンドノードへ 通知、量子ビットに フィードバック
60. 量子インターネットの仕組み （ルーティング） 量子リピーター • 任意のノード間に 量子もつれを生成する ネットワーク • 中間ノードは量子中継機 • 古典インターネットで 測定結果をエンドノードへ 通知、量子ビットに フィードバック
61. 量子インターネットの仕組み （ルーティング） 量子リピーター • 任意のノード間に 量子もつれを生成する ネットワーク • 中間ノードは量子中継機 • 古典インターネットで 測定結果をエンドノードへ 通知、量子ビットに フィードバック
62. ある種の パリティ測定 ある種の パリティ測定 量子インターネットの仕組み （ルーティング） 量子リピーター • 任意のノード間に 量子もつれを生成する ネットワーク • 中間ノードは量子中継機 • 古典インターネットで 測定結果をエンドノードへ 通知、量子ビットに フィードバック
63. 量子インターネットの仕組み （ルーティング） 量子リピーター • 任意のノード間に 量子もつれを生成する ネットワーク • 中間ノードは量子中継機 • 古典インターネットで 測定結果をエンドノードへ 通知、量子ビットに フィードバック 任意の2ノード間で 量子もつれを作れる！
64. 量子コンピュータとは 各確率は複素振幅で表現される（ので干渉が起こる） 重ね合わせで、 各状態の確率が存在する 問題の解へ 確率が集まる n=1 n=2 n=3 0 00 01 000 001 010 011 1 10 11 100 101 110 111 ここの速さが 計算速度を決める 量子ビットは　 　個の状態を持つ
65. n=4 n=5……. n=1 n=2 n=3 0 00 01 000 001 010 011 1 10 11 100 101 110 111 0000 0001 分散量子計算でnを 増やしても 量子ビットは　 　個の状態を持つ
66. 量子アルゴリズム による波の干渉 分散量子計算でnを 増やしても十分に 速ければ計算できる n=4 n=5……. n=1 n=2 n=3 0 00 01 000 001 010 011 1 10 11 100 101 110 111 0000 0001 量子ビットは　 　個の状態を持つ
67. 量子アルゴリズム による波の干渉 分散量子計算でnを 増やしても十分に 速ければ計算できる n=4 n=5……. n=1 n=2 n=3 0 00 01 000 001 010 011 1 10 11 100 101 110 111 0000 0001 超大規模量子計算へ 量子ビットは　 　個の状態を持つ
68. 様々な量子アルゴリズム • 量子の性質をそのまま使う：超多項式的加速 ◦ 量子シミュレーション→創薬、材料開発 • 問題の構造をexploit：超多項式的加速 ◦ 素因数分解、離散対数問題、パターンマッチング、 PCA、半正定値計画問題（近似）、etc. • 汎用的に干渉を取り扱う：多項式的加速 ◦ 逆関数計算（検索）、etc. • http://math.nist.gov/quantum/zoo/ • https://www.qmedia.jp/tag/quantum-algorithm/
69. Summary • 量子計算とは • Trusted node の量子鍵配送ネットワーク ◦ 古典コンピュータの通信のための量子情報通信 • 量子中継機による真の量子インターネット ◦ 量子コンピュータの通信のための量子情報通信 宣伝：R4Dのブース出展やってます。 　　　見に来てください。