量子インターネット実現を加速、横浜国大らが単一光子の高精度「ものさし」開発に成功
横浜国立大学、ソニーグループ株式会社、LQUOM株式会社の共同研究チームが、次世代の通信基盤「量子インターネット」の実現に向けた画期的な分光システムを開発しました。この新技術は、光の最小単位である単一光子の周波数（色）を、一度の測定（シングルショット）で極めて高い精度で識別するもので、量子通信の長距離・大容量化の切り札とされる「周波数多重量子中継」の実用化を大きく前進させます。
このシステムは室温で動作し、拡張性にも優れているため、日本の次世代通信技術における競争優位性を確立する重要な一歩となる可能性があります。本成果は、国際科学誌「Optics Express」に掲載されました。
量子インターネットと技術的課題
量子インターネットは、量子暗号による完全なセキュリティや、安全なクラウド量子計算などを可能にする次世代の情報通信基盤として期待されています。この巨大なネットワークを実現するには、光ファイバーの損失という壁を乗り越え、量子状態を長距離にわたって安定して伝える「量子中継」技術が不可欠です。
特に、通信速度を飛躍的に向上させる手法として「周波数多重量子中継」が注目されています。これは、道路の車線を増やすように、一本の光ファイバーに多数の周波数（色）の光子を同時に乗せて情報を送る技術です。
しかし、この方式には大きな技術的障壁がありました。どの周波数の光子が通信に成功したかを、一瞬（シングルショット）で、かつ単一光子という極めて微弱なレベルで、高精度に識別する必要があったのです。これまでの技術では、これらの要求を同時に満たすことは困難でした。
なぜ「シングルショット・高分解能」が革新的なのか
今回開発された技術の画期的な点は、量子中継に求められる3つの厳しい条件「シングルショット測定」「高分解能」「単一光子感度」を同時に満たしたことにあります。
- シングルショット測定：通信のたびに一回で周波数を特定できるため、通信速度を落としません。
- 高分解能：周波数のわずかな違いを識別できるため、多くの情報を詰め込む（多重化する）ことが可能になります。
- 単一光子感度：量子通信で使われる極めて弱い光を確実に捉えることができます。
この技術は、周波数多重という「高速道路」のどの車線をどの情報が走っているかを瞬時に見分ける、超高性能な交通整理システムのようなものです。これにより、限られた量子メモリの帯域を最大限に活用し、通信効率を劇的に向上させる道筋が拓かれました。
新技術の仕組み：VIPAとSPADアレイの融合
研究チームは、異なる周波数の光を異なる場所（角度）に分離する光学素子「VIPA (virtually imaged phased-array)」と、単一光子を検出できる高感度センサーがピクセル状に並んだ「SPAD (single-photon avalanche diode) アレイ」を統合するという新しいアプローチを考案しました。
新技術のポイント：
- 様々な周波数を含む光子がVIPAに入射する。
- VIPAが光子の周波数に応じて、プリズムのように光を異なる角度に分散させる。
- レンズで集光され、SPADアレイ上の異なるピクセルに光子が着弾する。
- どのピクセルが光ったかを読み取ることで、瞬時に光子の周波数を特定する。
このシンプルな構成により、複雑なシステムを必要とせず、単一光子の周波数をシングルショットで高精度に識別することが可能になりました。
従来技術との決定的な違い
この新技術は、実用化を見据えた点で従来技術とは一線を画します。
| 項目 | 従来技術の問題点 | 新技術の優位性 |
| 動作環境 | 極低温冷却が必要なシステムが多く、大掛かりで高コスト | 室温で動作するため、小型化・低コスト化が可能 |
| 拡張性 | システムが複雑で、多重度を上げるのが困難 | シンプルな構成で拡張性が高く、実用的なスケーラビリティを持つ |
| 同時測定 | 複数の条件を同時に満たすことが難しかった | 単一光子、シングルショット、高分解能を同時に実現 |
この「室温動作」と「拡張性」は、量子中継器のような実際のデバイスへの搭載を考えた場合、極めて重要なビジネス上のアドバンテージとなります。
周波数多重化がもたらす通信革命
シミュレーション評価では、この新しい分光システムを用いることで、多重化しない場合に比べて通信レートを大幅に上回る性能を達成できることが確認されています。
これは、量子インターネットの通信帯域を飛躍的に増大させられることを意味します。現在のインターネットが動画ストリーミングや大容量データのやり取りを可能にしたように、量子インターネットにおいても、分散量子計算や高度な量子センシングといった、これまでにないアプリケーションの実現を後押しする基盤技術となります。
3つの主要市場での事業機会
この技術は、急成長が見込まれる量子技術市場において、具体的な事業機会を生み出します。
- 量子インターネット市場：通信事業者やインフラ企業にとって、長距離・大容量の量子通信ネットワークを構築するためのコア技術となります。数兆円規模ともいわれる次世代通信インフラ市場での主導権争いに不可欠な要素です。
- 量子暗号通信市場：金融、医療、防衛など、高度なセキュリティが求められる分野での絶対安全な通信サービスの提供が可能になります。既存の通信網に付加価値を与えるサービスとしての展開が期待されます。
- 量子センシング市場：本技術は、微弱な光の周波数を高精度に測定する能力を持つため、物理学、化学、医療診断など、さまざまな分野での超高感度センサーへの応用も期待されます。
日本の通信産業への経済インパクト
この技術的ブレークスルーは、日本の通信産業および関連産業に大きな経済効果をもたらすポテンシャルを秘めています。
- 競争優位性の確立：各国が巨額の投資を行う量子技術開発競争において、日本が次世代通信の基盤技術で世界をリードする戦略的資産となります。特に、実用性に優れたシステム構成は、技術の社会実装で優位に立つための大きな強みです。
- 新たな産業創出の可能性：この技術を核として、量子中継器モジュール、高精度測定機器、量子ネットワークサービスといった新しい産業が生まれる可能性があります。これは、新たな雇用創出や高付加価値な輸出産業の育成に直結します。
実用化への道のりとビジネス展開
研究チームは今後、自らが開発している高性能な量子光源と今回の分光システムを接続し、周波数多重量子中継の実証実験に取り組む計画です。
これは、実験室レベルの成功から、実用的な量子通信システムのプロトタイプ開発へと進む重要なステップです。この実証が成功すれば、通信機器メーカーやインフラ企業との連携による商用化に向けた動きが加速することが期待されます。長期的には、量子インターネットの標準規格化においても、この技術が重要な役割を果たす可能性があります。
研究概要
- 研究機関: 横浜国立大学大学院工学研究院 / 総合学術高等研究院、ソニーグループ株式会社、LQUOM株式会社
- 主要研究者: 堀切 智之 教授、名頃 裕貴氏（大学院生）
- 論文掲載日: 2025年9月18日
- 掲載誌: Optics Express
- 論文タイトル: “Single-shot high-resolution spectroscopy of single-photon-level optical pulses using a virtually imaged phased-array and single-photon avalanche diode array”
- DOI: 10.1364/OE.570177
- 支援機関: 内閣府ムーンショット型研究開発事業、総務省「量子インターネット実現に向けた要素技術の研究開発」、NEDOディープテックスタートアップ支援事業
- リリースリンク：https://www.ynu.ac.jp/hus/koho/34090/detail.html
