量子ネットワークを構築する過程で、光ファイバーケーブルは不可欠なインフラと見なされてきましたが、その物理的制約が長年業界を悩ませてきました。光ファイバーは脆弱な量子情報を遠距離に送信することができますが、関連するインフラの展開コストが高く、特定の通信波長にしか適用できず、量子技術に必要な他の波長範囲を扱うことが難しいのです。さらに重要なのは、量子信号が非常に敏感であり、光ファイバー伝送過程での信号減衰や干渉が伝送距離を大きく制限することです。
ブルックヘブン国立研究所とストーニーブルック大学の研究チームは最近、別の実行可能なソリューションを成功裏に示しました。光の量子状態を開放空気を通じて伝送し、距離は21キロメートル（13マイル）に達しました。これはアメリカ国内で初めての同様の量子通信実験であり、同国で最も長い量子ネットワークに無線伝送の要素を追加しました。このネットワークはもともと約259キロメートル（161マイル）にわたり、8つのノードを接続しており、今回の成果によりそのカバレッジ範囲と応用の柔軟性がさらに拡大しました。
昼間の実験でレーザーを通じて量子光子を大気中に通過させる
2025年8月21日の昼間のテストでは、研究者たちはストーニーブルック大学の「量子観測塔」施設でレーザーを操作し、毎回わずかな光子を含む量子状態を生成しました。この施設はニューヨーク州ストーニーブルック大学健康科学センターの屋上に位置しています。光子は直径わずか5マイクロメートルの光ファイバー端から放出され、このサイズは人間の髪の幅の十分の一にも満たず、その後大気中を21キロメートル伝播し、ニューヨーク州エプトンのブルックヘブン「量子灯台」に到達し、超高速カメラによって光子が別のミニ光ファイバーに入る際に成功裏に検出されました。
従来の無線技術ではこの任務を果たすことができませんでした。なぜなら、無線周波数のノイズが大きすぎて、光子が運ぶ脆弱な量子情報を保持できなかったからです。研究チームは光を伝送媒体として選択しました。しかし、光が大気中を伝播する際には別の課題がありました。大気の乱流が光の伝播経路を歪め、量子情報を乱す可能性があるのです。この問題を解決するために、チームは天文学の専門技術を導入し、望遠鏡技術と適応光学システムを用いて大気の乱流による影響を補償し、光ビームを正確に収集し制御しました。
ブルックヘブン研究所の科学者ジャスティン・ハウプトは次のように指摘しています。「一般の人々は望遠鏡を宇宙を観測するための道具と考えていますが、実際には天文学者が光を正確に収集し制御するための技術が、このような量子実験にも不可欠なのです。」研究チームはまた、特別な屋上施設を建設し、光学、制御システム、通信機器、量子源、検出器を統合し、21キロメートル離れた2つの装置が単一の実験として協調して動作できるようにしました。
夜間テストで糸絡み光子の伝送の技術的実現可能性を確認
昼間の実験は、光の量子状態が新しい自由空間光学（FSO）リンクを介して長距離を越えることができることを証明しました。技術的能力をさらに検証するために、研究者たちはより挑戦的なテストに移行し、糸絡み光子の伝送を行いました。背景光が低い夜間のテストでは、チームはまずストーニーブルック大学の物理実験室から光ファイバーを通じて糸絡み光子を量子観測塔に送信し、その後光子が開放空気リンクを介して配信され、最終的に量子灯台で成功裏に受信され、測定されました。
糸絡み光子の量子特性は、粒子が非常に遠く離れていても関連性を保持するため、将来の安全通信、量子センシング、量子コンピュータを接続するネットワークにおいて大きな応用可能性を持っています。ストーニーブルック大学量子研究所の所長エデン・フィゲロアは次のように述べています。「既存の長距離光ファイバー網では、私たちは定期的に糸絡み光子対を伝送していますが、光ファイバー網は通信波長の使用に制限されています。新しい量子無線リンクでは、量子プロセッサや関連技術にとってより自然な赤外線波長の使用を探求しています。これにより、遠距離で糸絡み原子システムを構築するための直接的な道が提供されます。」
自由空間光学技術が量子ネットワークを衛星レベルに拡張
新しいFSO接続は光ファイバーを置き換えるものではなく、従来のケーブル接続が難しい場所やデバイスへの量子ネットワークのカバレッジを支援するものです。同時に、この技術により研究者は商業通信光ファイバーの好み以外の波長を使用できるようになり、異なる波長で動作する量子プロセッサや他の技術をより簡単に接続できることが期待されています。次の段階の拡張計画は進行中で、コネチカット州ニューヘイブンにあるイェール大学の3つ目のFSO施設が完成し、ストーニーブルック大学とイェール大学の間の接続はまだ建設中です。
運用が開始されると、このリンクにより研究者はエンタングルメント光子をロングアイランド湾を通じて48キロメートル（30マイル）先に送信できるようになります。研究チームの最終的な構想は、FSOネットワークを使用してブルックヘブンとストーニーブルック大学の量子コンピュータを接続し、単一の機械では解決できない問題を協力して処理できるようにすることです。長期的な目標は、量子情報を地球の大気を通じて衛星に送信し、広範な地上通信インフラに依存せずに遠隔地を接続することです。類似の実験では、光子が飛行機から地上局に伝送されることが証明されており、モバイルおよび衛星量子ネットワークの基盤を築いています。
ブルックヘブン国立研究所の科学者ガブリエラ・カリーニは次のようにまとめています。「衛星をネットワークに組み込むことで、通信インフラが限られている郊外や遠隔地に安全な量子通信を提供し、量子ネットワークを地域規模からグローバルなレベルに引き上げることが期待されます。」この技術のブレークスルーは、量子インターネットのグローバル化ビジョンに向けた重要な一歩を踏み出し、将来の量子計算リソースの地域を超えた協力への新たな道を開くものです。