MTC2018 - 量子情報時代の通信技術：量子インターネット

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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

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量子情報時代の通信技術量子インターネット

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R4D Senior Researcher Shota Nagayama

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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）

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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

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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

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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）

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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）

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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

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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

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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%

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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/

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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）

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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）

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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

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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）

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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！

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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

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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

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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

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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。