量子メモリー間もつれ、420km達成 ～中国科学技術大学チームが記録を8倍に更新～

中国科学技術大学（USTC）の潘建偉（パン・ジェンウェイ）、包小輝（バオ・シャオホイ）、張強（チャン・チャン）率いる研究チームが、2つのルビジウム冷却原子量子メモリー間で420kmの光ファイバーを介した量子もつれの生成に成功しました。これは2020年に同チームが達成した50kmの記録から8倍の距離に相当します。この成果は、2026年7月に『Physical Review Letters』の「Editors' Suggestion」として掲載され、プレプリントサーバーarXiv（2504.05660）でも公開されています。

実験の仕組み

• 「アリス」と「ボブ」と名付けられた2つのルビジウム原子集団量子メモリーが、巻き取られた光ファイバーで接続されました。
• 中央検出ノード「チャーリー」が、両方のメモリーから到着した光子のベル状態測定（Bell-state measurement）を行い、もつれ生成の成功を確認します。
• チームは、DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）単一光子もつれスキームを採用。これは、1つの光子が放出されたことを検出することで、確率的にもつれを生成する方式です。

記録的距離を可能にした3つの技術的進歩

1. 通信波長帯への変換 — ルビジウムメモリーから放出される光子は、量子周波数変換により、光ファイバーの損失が極めて低い通信Sバンド（約1.5μm）に変換されました。これにより、ファイバー伝送損失をわずか約0.17dB/kmに抑えることができました。
2. 能動的ファイバー安定化システム — 長距離ファイバーリンクで生じる位相変動を、リアルタイムフィードバックシステムが補償。420kmという全経路にわたって、光子の干渉の明瞭度（visibility）を維持しました。
3. 単一光子DLCZもつれプロトコル — 2つの光子の同時検出を必要とする方式ではなく、各メモリーノードから1光子だけを検出する方式を採用。これにより、長距離でのもつれ生成レートを大幅に向上させることができました。

PLOB限界を超える

• PLOB限界（Pirandola–Laurenza–Ottaviani–Banchi bound）とは、量子中継器を使わずに損失のあるチャネル（光ファイバーなど）を介してもつれを分配できる理論上の最大レートを定めたものです。
• 研究チームは、測定されたメモリー間のもつれ生成確率が、約230～320km以上の直接ファイバー伝送距離において、このPLOB限界を超えることを実証しました。これは、メモリー支援型量子ネットワークが、その交差距離を超えると、直接ファイバーリンクよりも高いもつれ生成レートを達成できることを示しており、量子メモリーを中継ノードとして用いる方式の優位性を初めて実験的に証明したものです。

将来の量子インターネットへの意義

• 本研究は、メモリーベースの量子ネットワークが、中継器なしの基本限界を打破できることを示した初の実験的実証であり、量子中継器アーキテクチャの基本原理を検証した重要な成果です。
• これにより、量子ネットワークのスケールが**都市規模（数十km）から都市間規模（数百km）**へと飛躍的に拡大。保存された量子情報が、都市間を結ぶのに十分な距離にわたって確実にもつれ合うことが示されました。
• この研究は、将来、スケーラブルなメモリーベースの量子中継器を構築するための実用的な基盤を提供します。これにより、長距離量子鍵配送、分散量子コンピューティング、安全な量子通信を可能にする、グローバルな量子インターネットの実現に道が開かれると期待されています。