昨年12月、ニューヨーク市の地下深くで15日間にわたり、複雑な量子演算が行われた。光子はブルックリン海軍工廠からクイーンズ区コロナに至る地域を網羅し、大都市の地下に全長21マイル（34キロメートル）の量子ネットワークを形成した。
量子ハードウェア企業Qunnect社は、自社のGothamQテストベッドでこの実験を実施しました。この量子ネットワークは、ニューヨークの通信インフラの一部を構成する既存の光ファイバー上で動作しました。従来の地下通信と今回の実験の主な違いは、ケーブルを伝わる通常の光子ではなく、Qunnectチームが量子状態にある光子、つまりエンタングルメントされた偏光光子を伝送した点です。チームの研究はPRX Quantum誌に掲載されています。
「次世代インフラが何をもたらすのかを説明するのは常に難しい。インフラを発明する人たち自身も、多くの場合、理解していない」と、量子物理学者でクネクトの最高科学責任者であるメディ・ナマジ氏は、ギズモードとのビデオ通話で述べた。「ユースケースがどうなるかを言うのは非常に難しい。なぜなら、それはインターネットの用途を定義するようなものだからだ」
ナマジ氏によると、チームの研究の多くは「量子ネットワークにおける圧倒的な最先端技術」だという。量子ネットワークを動作させるために、チームはルビジウム87の蒸気セルを用いて光子対（光の粒子）を生成した。光子対はエンタングルメント状態にあり、つまり一方の光子の特性はもう一方の光子によって定義され、その逆もまた同様である。エンタングルメントは量子特性であるため、チームは光子を通信用の量子ビット（キュービット）として用いた。キュービットは量子コンピュータの基盤となる。多くの場合、原子が配列されて構成されるキュービットは、量子状態に入ることができるように非常に低温に保たれ、複雑な計算に有用な特性を付与される。
この最近のプロジェクトでは、ケーブルインフラを通じて毎秒50万対の光子を送信しました。これは、15日間の実験期間中に6,480億対の光子がシステムを通過したことを意味します。同様のインフラを用いた過去の実験では、毎秒約1万対から2万対の光子送信率しか達成されていませんでした。
量子状態を維持するために過冷却温度に保たれる必要がある量子コンピュータとは異なり、光子は常温で量子情報を運ぶことができます。光子のこのユニークな性質のおかげで、研究チームは、厳密に管理された実験室環境での小規模な実験ではなく、ニューヨーク地下の既存の大規模インフラを研究に利用することができました。
ネットワークは実験期間の99.84%にわたって動作を継続したが、実験が終わったのは単に他にやるべきことがあったためであった。言い換えれば、実験が継続されたとしても、ネットワークは絡み合った状態を失う兆候を示さなかった。
チームの革新性の一つは、システムを非常に短い時間（数ミリ秒程度）停止させ、古典光のパルスをシステムに送り込み、システムの状態を評価し、光子の量子動作を阻害する可能性のある摂動がないか確認するという点でした。この中断（時間多重化と呼ばれるプロセス）により、15日間の実験期間のうちわずか0.16%しか動作が停止せず、前述の99.84%の稼働率を達成しました。
「私たちの研究は、現在および将来の多くのユースケースに適した速度と忠実度を備えた、24時間365日稼働のエンタングルメントベースのネットワークの実用展開への道を開く」と研究チームは論文に記している。
「私たちが開発に取り組んでいることはすべて、『実用的か？』というアイデアに基づいています」とナマジ氏は述べた。「サイバーセキュリティであれ、量子インターネットの将来像といったより広い視野であれ、あらゆる応用において有用であると確信できるほど、堅牢で安定的、そして高品質な方法で量子もつれを分散させることは可能でしょうか？」
この技術の最も直接的な応用分野はサイバーセキュリティだとナマジ氏は述べた。「この技術を使って0と1を送信したり、暗号化用の鍵を作成したりできれば、ハッキングははるかに困難になります」とナマジ氏は述べた。「光子の1つに何かが起これば、もう1つはすぐにそれを察知します。そして、このような接続を再現する方法がないため、ハッカーには何もできません。」
実用化にはまだ長い道のりがあり、量子インターネットのようなまだ抽象的な概念の実現にはさらに長い時間がかかる。ナマジ氏は、光子伝送速度は「5Gには遠く及ばない」ものの、「少なくともダイヤルアップインターネットの10倍は速い」と述べた。
多くの応用、特にこの研究の最も広範囲かつ重要な影響のいくつかはまだ実現の見込みがありませんが、この実験は、私たちの身の回りで行われている科学の営みを改めて思い起こさせてくれる素晴らしいものです。次に地下鉄に閉じ込められた時は、少なくとも、地下のどこか、あなたのすぐ近くで起こっている驚くべき物理現象についてじっくり考えることができるでしょう。もちろん、光子は私たちよりもはるかに速く目的地に到達しています。
