量子ネットワーク：シスコ ソフトウェアが古典技術を強化

実用的な量子コンピューターを作るために、研究者たちはより大規模でより優れた量子ネットワーク、つまり量子コンピューティングを補完し強化する機能を備えた量子ネットワークを開発しています。別の言い方をすれば、長距離にわたって多くの量子ビットを安全に交換できる機能する量子ネットワークを構築することは、量子コンピューターの競争とはまったく別の有用な最終目標となる可能性があります。

その流れで、シスコは 9 月 25 日に量子ネットワーキング ソフトウェア システムを発表しました。ネットワーク大手の同社のテクノロジーは、量子ネットワーク向けの新たな非コンピューティング アプリケーションの範囲を 3 つだけ挙げると、より強力な量子センサー、安全な位置検証、量子強化イメージング技術の実現に役立つ可能性があります。

カリフォルニア州サンノゼにあるシスコの副社長兼研究責任者であるラマナ・コンペラ氏によると、チームはハイブリッドな目的も念頭に置いているという。それは、古典的なコンピュータや従来のコンピュータネットワークと連携できる量子ネットワークだという。

「これまで、古典的コンピューティングは量子ネットワークにアクセスできなかったので、これは私たちにとって非常に魅力的な分野です」とコンペラ氏は言います。 「しかし、量子ネットワークにアクセスできたら、新しい機能に関して実際に何を実現できるでしょうか?」 Kオンペラには に答える 彼自身の質問。 「長距離光ファイバー通信の盗聴者を検出することで、量子信号を利用して古典的なネットワークを保護できます」と彼は言います。

量子もつれはネットワークをどのように保護するのでしょうか?

コンペラ氏によると、これを実現するために、このシステムは、機密ネットワーク全体で共有される量子信号が量子もつれを介して互いに接続されているという事実に依存しているという。 「私たちはもつれた光子を光ファイバーに注入します」と彼は言います。 「そして、攻撃者がファイバーを盗聴しようとすると、最終的に絡み合いが妨害されるため、それを検出できるようになります。」

コンペラ氏は、ネットワークの距離を超えて交換されるエンタングルメントには、高頻度取引やフィンテックにおける他の古典的なコンピューティング アプリケーションがあると付け加え、「エンタングルメント ベースのネットワークの助けを借りて、超高精度の時刻同期を実現できる可能性もあります」と述べています。

シスコの量子ネットワーキング システムは、同社が 5 月に導入した実用的な量子ネットワーキング チップ上に構築されており、既存の光ファイバー回線を使用して 1 秒あたり最大 2 億のもつれ光子ペアを生成し、標準の通信波長で動作します。

しかし、シスコが最近導入した新しいコンポーネントはソフトウェアです。同社が今回発表したコンパイラーを使用すると、プログラマーはIBMのPythonベースのQiskit量子コンピューター言語で記述できるようになる。また、Cisco コンパイラは、量子プロセッサ間の接続の最適化やエラー修正戦略の微調整など、ネットワークの技術的な詳細を処理します。

シスコの量子研究責任者であるレザ・ネジャバティ氏は、「私たちは物理層の複雑さを隠しています。これにより、アルゴリズム開発者はプロセッサの数やプロセッサの接続方法を調整してアルゴリズムを最適化できるようになります。」と述べています。

「コンパイラはその高レベルの目標を取得し、それを分割して、方程式のネットワーク側を推進します」と Kompella 氏は付け加えます。

トロント大学の電気工学およびコンピュータ工学の教授、ホイクォン・ロー氏は、シスコはより大きな量子技術の世界の過小評価されている部分を擁護していると述べています。

「投資は重要な問題です」とロー氏は言います。 「量子コンピューティングの新興企業には毎年何十億もの研究資金が投資されてきたが、量子ネットワーキングの新興企業への投資は遅れをとっている。」

オランダのデルフト工科大学のナノサイエンス教授、ロナルド・ハンソン氏によると、シスコの取り組みは重要な次のステップだという。しかし、それは次のステップにすぎません。

「シスコが現在発表しているものは、まったく新しいものではありません」とハンソン氏は言います。 「しかし、シスコが量子ネットワークのこれらのさまざまな要素のいくつかに取り組んでいるという事実と、シスコの古典的なネットワーキングの専門知識と強みが組み合わされて、この進歩は興味深いものとなり、量子ネットワーキング業界全体を推進することになるでしょう。」

量子ネットワークを拡張するには何が必要ですか?

ネジャバティ氏によると、現時点でのシスコのシステムの最大の制限は、単一の光子が光ファイバー自体に吸収される前に移動できる物理的距離の制限だという。

「当社のハードウェアおよびソフトウェア技術により、非常に高品質で高性能なネットワークを使用して、最大 100 キロメートルまで移動することができます」と Nejabati 氏は言います。

ロー氏は、物理学、特に個々の量子ビットは決して完全に複製できないという「複製禁止定理」と呼ばれる法則のせいで、大規模な量子ネットワークの実現が特に困難になっていると語る。

「大きな課題は、量子中継器を構築することです」とロー氏は言います。 「光ファイバーには損失があり、距離の限界を克服するには量子中継器が必要です。」

たとえば、ロー氏のグループは、量子ビットの信号を別の個々の光子ではなく、絡み合った光子のクラスターにエンコードすることを研究している。 IEEEスペクトル は、2015 年のこの方法に関するロー氏のグループの最初の研究と、2019 年の原理実証実験テストを追跡しました。

その一方で、ハンソン氏は、量子中継器を作ることだけが次世代の量子ネットワーキング技術を前進させる唯一の方法ではないと言う。

「多くのユースケースは依然として手の届かないところにあるため、フォトンを共有することだけが最も興味深いテクノロジーではないと私たちは考えています」とハンソン氏は言います。 「代わりに、私たちの目標は…オンデマンドのもつれを作成することです。フォトニックチャネルを介したもつれの分散と、すぐに消費できるもつれ量子ビットのバッファーである長寿命の量子メモリを組み合わせることによってです。」

このようにして、量子もつれをバッテリーやハードドライブのテラビットのエネルギーのように保存し、ネットワークの両端のユーザーが量子情報を共有したいときに利用できるとハンソン氏は言います。

「バッファーエンタングルメントは、これまでにない興味深い応用範囲を解き放ちます。 [quantum cryptography] 「それは真の価値をもたらすことが約束されています。シスコが自社のネットワークにそのテクノロジーをいつ導入するかは興味深いでしょう。」とハンソン氏は言います。