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長距離量子通信の実現化へ向けた研究

Research Project

Project/Area Number 16F16811
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section外国
Research Field Atomic/Molecular/Quantum electronics
Research InstitutionNational Institute of Informatics

Principal Investigator

根本 香絵  国立情報学研究所, 情報学プリンシプル研究系, 教授 (80370104)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) LO PIPARO NICOLO  国立情報学研究所, 情報学プリンシプル研究系, 外国人特別研究員
Project Period (FY) 2016-11-07 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000)
Fiscal Year 2018: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000)
Fiscal Year 2017: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000)
Fiscal Year 2016: ¥300,000 (Direct Cost: ¥300,000)
Keywords量子情報 / 量子メモリー / 量子鍵配送 / 量子中継 / 量子通信
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、量子中継を多角的に解析することで、量子通信技術の要素技術のあり方とその性能を明らかにすることを目指した。まず、量子中継システムの比較、検討をすすめ、量子メモリーの導入方法を検討した。光の減衰により成功確率が通信距離に対して指数的に減少することが、中・長距離量子通信上の本質的な問題である。この問題を解決するために、量子鍵配送スキームに量子メモリーを導入し、光の減衰による成功確率の指数的な減少を防ぐ方式を考え、モデルを用いて量子メモリーの動作を数値的に解析した。これをもとに、量子メモリーの効果を、量子がある場合とない場合で量子鍵配送スキーム全体の性能を数値的に解析し、量子メモリーによる優位性を数値的に明らかにした。特に、協力係数の低い領域でも十分に量子メモリーによる優位性が得られることがわかり、実装へ向けた有利な性質を引き出すことに成功した。
量子鍵配送や量子中継において、実現に必要とされるリソースの観点から、量子メモリーや効果的な通信スキームの検討を行った。ダイヤモンドの結晶中に形成されるNVセンターを候補として、その量子メモリーとして性質を解析した。物理的なリソースの低減化を可能にする量子中継システムの有り方を検討するために、量子メモリーを用いた量子中継システムを雛形にして、新しい量子プロトコルを開発した。この新しい方法を量子マルチプレキシング方法と呼び、その優位性を数値的に示した。また、システム性能評価では、生成レートをシステム全体に必要となる物理的なリソースで規格化した生成レートを用いることとし、エンタングルメント精製方法の比較を行った。量子マルチプレキシングを用いた場合、Deutschのエンタングルメント精製方法と比較して、最適化したエンタングルメント精製方法は、規格化された生成レートの向上が可能であることを数値的に示した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2019 2018 2017

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 1 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Quantum multiplexing2019

    • Author(s)
      Nicolo Lo Piparo, William J. Munro,and Kae Nemoto
    • Journal Title

      Phys. Rev. A

      Volume: 99 Issue: 2

    • DOI

      10.1103/physreva.99.022337

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A universal quantum module for quantum communication, computation, and metrology2017

    • Author(s)
      Hanks Michael、Munro William J.、Lo Piparo Nicolo、Trupke Michael、Schmiedmayer Jorg、Nemoto Kae
    • Journal Title

      Proc. of SPIE

      Volume: 10358 Pages: 20-20

    • DOI

      10.1117/12.2271537

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Memory-assisted quantum key distribution with a single nitrogen-vacancy center2017

    • Author(s)
      Nicolo Lo Piparo, Mohsen Razavi, William J. Munro
    • Journal Title

      Physical Review A

      Volume: 96 Issue: 5

    • DOI

      10.1103/physreva.96.052313

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Memory-assisted quantum key distribution resilient against multiple-excitation effects2017

    • Author(s)
      Nicolo Lo Piparo, Neil, Sinclair, Mohsen Razavi
    • Journal Title

      Quantum Science and Technology

      Volume: 3 Issue: 1 Pages: 014009-014009

    • DOI

      10.1088/2058-9565/aa9cfb

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Measurement-device-independent quantum key distribution with nitrogen vacancy centers in diamond2017

    • Author(s)
      Nicolo Lo Piparo, Mohsen Razavi, and William J. Munro
    • Journal Title

      Physical Review A

      Volume: 95 Issue: 2

    • DOI

      10.1103/physreva.95.022338

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Single photon entanglement distribution scheme applied to a purification protocol2018

    • Author(s)
      Nicolo Lo Piparo, William J. Munro and Kae Nemoto
    • Organizer
      International Conference on challenges in Quantum Information Science (CQIS2018)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Quantum Multiplexing as a Resource Saver in Quantum Networks2018

    • Author(s)
      William J. Munro, Nicolo Lo Piparo, and Kae Nemoto
    • Organizer
      Summer Topicals Meeting Series 2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Universal Optical Modules for Quantum Network2018

    • Author(s)
      Kae Nemoto, Michael Hanks, Nicolo Lo Piparo, and William J. Munro
    • Organizer
      Summer Topicals Meeting Series 2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Single photon entanglement distribution scheme applied to a purification protocol2018

    • Author(s)
      Nicolo Lo Piparo, William Munro and Kae Nemoto
    • Organizer
      8th International Conference on Quantum Cryptography
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High fidelity entanglement distribution using quantum multiplexing2018

    • Author(s)
      Nicolo Lo Piparo, Kae Nemoto, and William Munro
    • Organizer
      18th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS2018)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A universal quantum module for quantum communication, computation, and metrology2017

    • Author(s)
      Michael Hanks, Nicolo Lo Piparo, Michael Trupke, Jorg Schmiedmayer, William J. Munro and Kae Nemoto
    • Organizer
      SPIE Quantum Photonic Devices Conference (OP17N), San Diego Convention Center
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Quantum key distribution using single atom memories2017

    • Author(s)
      Nicolo Lo Piparo, Mohsen Razavi, William J. Munro and Kae Nemoto
    • Organizer
      The JSAP Workshop on Quantum Information and Related Fields
    • Place of Presentation
      National Institute of Informatics, Tokyo, japan
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Quantum key distribution using single atom memories2017

    • Author(s)
      Nicolo Lo Piparo, Mohsen Razavi, William J. Munro and Kae Nemoto
    • Organizer
      Interdisciplinary Workshop on Quantum Devices 2017 (IWQD 2017)
    • Place of Presentation
      National Institute of Informatics, Tokyo, japan
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Toward feasible long-distance quantum communications systems2017

    • Author(s)
      Nicolo Lo Piparo
    • Organizer
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜,神奈川,日本
    • Related Report
      2016 Annual Research Report

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Published: 2016-11-08   Modified: 2024-03-26  

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