量子コンピュータや量子暗号通信の発展に伴い、将来的には、複数の量子コンピュータ、量子通信装置、量子リピータをネットワークで接続する「量子ネットワーク」が重要になると考えられています。
従来のインターネットでは、情報はビット列としてパケットに分割され、ルータを経由して転送されます。一方、量子ネットワークでは、量子ビット、量子鍵、量子もつれなど、量子通信特有の資源を扱います。これらの量子資源は、生成できる確率、保持できる時間、品質、利用可能な場所に制約があるため、従来のネットワークとは異なる制御技術が必要になります。
先進ネットワーク研究室では、将来の量子インターネットやQKDネットワークを実現するために、量子通信資源を効率的に生成・蓄積・経路制御・割当する技術について研究しています。
主な研究テーマ
QKDネットワークの経路制御
量子鍵配送（QKD: Quantum Key Distribution）は、量子力学の性質を利用して、安全に暗号鍵を共有する技術です。QKDネットワークでは、各リンクで生成される鍵を用いて通信を行いますが、鍵の生成速度や鍵プールの残量には制約があります。そのため、通信要求に対して、どの経路を使えば鍵資源を枯渇させずに安定した通信を提供できるかを考える必要があります。
本研究室では、QKDネットワークにおいて、鍵プール残量、通信需要、リンク状態を考慮した経路制御技術について研究しています。
研究例：
- 通信需要の変動を考慮した鍵資源管理
- QKDネットワークにおける鍵プール残量を考慮した経路制御
- 鍵資源の消費量を考慮した通信要求の受付制御
- 複数経路を用いたQKDネットワークの負荷分散
QKDネットワークの異常検知・デジタルツイン
QKDネットワークを安定に運用するには、鍵生成量の低下、リンク品質の変化、装置の異常、攻撃の兆候などを早期に検知することが重要です。しかし、量子通信では、通常のIPネットワークとは異なる物理的・確率的な制約があるため、従来のネットワーク監視だけでは十分ではありません。
本研究室では、QKDネットワークの状態を仮想空間上に再現するデジタルツインを用いて、正常時の振る舞いと異常時の振る舞いを比較し、異常を早期に検知する技術について研究しています。
研究例：
- デジタルツインを用いた運用制御の高度化
- QKDネットワークのデジタルツイン構築
- 鍵生成量や鍵プール残量に基づく異常検知
- リンク障害・装置異常・攻撃兆候の検出
量子メモリの最適配置
将来の量子インターネットでは、遠隔地の量子ノード間で量子もつれを共有することが重要になります。量子もつれを利用することで、量子情報の転送や分散量子計算などが可能になると考えられています。
しかし、量子もつれは確率的に生成され、品質の劣化や保持時間の制約があります。そのため、量子もつれを事前に生成し、量子メモリに蓄積しておくことで、通信要求が発生したときに素早く利用できるようにすることが重要です。
本研究室では、量子メモリをどのノードに配置すれば、EPRパスの構築遅延を短縮できるか、また限られた量子メモリ資源をどのように利用すればよいかについて研究しています。
研究例：
- 量子もつれの品質と保持時間を考慮した制御
- 量子メモリの最適配置
- EPRパス構築遅延を短縮する資源配置
- 量子メモリ容量を考慮した量子資源管理
量子ビット転送・EPRパスの経路制御
量子ネットワークでは、送信元と宛先の間に直接量子通信リンクが存在しない場合、複数の量子リピータを経由して量子もつれを拡張し、end-to-endのEPRパスを構築する必要があります。このとき、どの経路を使うか、どのリンクでEPRペアを生成するか、どのタイミングでentanglement swappingを行うかによって、遅延や成功確率、資源消費量が変化します。
本研究室では、量子ネットワーク上で量子ビットやEPR資源を効率的に転送・利用するための経路制御技術について研究しています。
研究例：
- 量子ビット転送における経路選択法
- EPRパス構築のための経路制御
- 強化学習を用いた動的な経路選択
- 忠実度、遅延、資源消費量を考慮した量子通信制御
研究で用いる技術
本分野では、量子通信特有の性質を考慮しながら、ネットワーク制御、数理最適化、機械学習、シミュレーションなどを組み合わせて研究を進めます。
主に用いる技術は以下の通りです。
- QKDネットワーク、鍵プール管理
- EPRペア、量子もつれ、entanglement swapping
- 量子メモリ、量子リピータ
- 経路制御、資源割当、受付制御
- 数理最適化、強化学習
- デジタルツイン、異常検知、シミュレーション評価
量子ネットワークの研究は、現在のインターネットとは異なる原理で動作する将来の通信基盤を設計する研究です。ネットワークを量子時代に備えるための、非常に新しい研究分野です。