Last Updated on 2025-05-07 17:22 by admin

ネットワーク技術の巨人シスコシステムズは、量子コンピュータのネットワーキングを目的とした試作チップ「量子ネットワークエンタングルメントチップ」を発表した。同時に、量子技術研究を推進するため、カリフォルニア州サンタモニカに新たな研究施設「Cisco Quantum Labs」を開設した。

このチップは、カリフォルニア大学サンタバーバラ校（UCSB）との共同研究により開発されたフォトニック集積回路（PIC）であり、既存の光ファイバーインフラを活用し、室温で動作する点が特徴である 。チップはIII-V族半導体導波路における自発的四光波混合プロセスを利用し、シリコンウェハプラットフォーム上に構築されている 。

チップは、光子のペアに量子エンタングルメント（量子もつれ）を生成し、これらの光子を介して、距離に依存しない瞬間的な情報伝達（量子テレポーテーションの原理に基づく）を可能にする 。プロトタイプは、1チャネルあたり毎秒100万以上、チップ全体で最大毎秒2億のエンタングルメントペアを高忠実度（99%）で生成可能でありながら、消費電力は1mW未満と極めて効率的であると報告されている 。

シスコの目標は、この技術を通じて複数の小規模な量子コンピュータを連携させ、より大規模で実用的な量子コンピューティングシステムを構築することにある。これにより、量子技術の実用化を従来予測されていたよりも最大10年早めることを目指している 。

from:https://www.fastcompany.com/91329302/cisco-quantum-computing-new-entanglement-chip-timeline

【編集部解説】

シスコシステムズが最近発表した「量子ネットワークエンタングルメントチップ」の試作成功と、専門研究施設「Cisco Quantum Labs」の開設は、量子コンピューティング分野における重要なマイルストーンとして、世界中の技術者や研究者から大きな注目を集めています。これは単に新しい部品が開発されたというニュースに留まらず、量子コンピュータがその真価を社会で発揮するための、まさに「次の一手」と呼ぶべき戦略的な動きなのです。

なぜ量子「ネットワーク」が重要なのでしょうか？

現在の量子コンピュータは、特定の計算において既存のスーパーコンピュータを凌駕する可能性を秘めていますが、その能力を最大限に引き出すには、まだいくつかの課題があります。特に、安定して扱える「量子ビット」の数を大幅に増やすこと（スケーラビリティ）が大きな壁となっています。現在の最先端の量子プロセッサでも数百量子ビット程度であり、実用的なアプリケーションの多くは数百万量子ビットを必要とすると言われています 。

ここで登場するのが「量子ネットワーク」という考え方です。個々の量子コンピュータの能力に限界があるならば、それらを高性能なネットワークで相互接続し、あたかも一つの巨大な量子コンピュータのように協調動作させる「分散量子コンピューティング」環境を構築すればよい、というアプローチです 。

アナロジー：専門家チームによる超難問解決

一台のコンピュータよりも、インターネットで繋がった多数のコンピュータが遥かに大きな力を持つように、個々の量子コンピュータを高性能なネットワークで結びつけることができれば、扱える問題の規模や種類が飛躍的に拡大すると期待されています。一人の天才的な専門家（個々の量子コンピュータ）に超難問を解かせるのには限界があります。しかし、多数の専門家たちがリアルタイムで情報を共有し、それぞれの得意分野を活かして協力できる「超高速なオンライン会議システム」（量子ネットワーク）があれば、より複雑で大規模な問題を解決できるようになります。

シスコの今回の発表は、まさにこの量子コンピュータ同士を繋ぐための核心技術に関するものです。彼らは量子プロセッサそのものを開発するのではなく、それらを繋ぐ「通信路」と、そこで情報を効率的かつ正確にやり取りするための「交通整理」の仕組みを構築しようとしています。このアプローチは、従来のインターネットの黎明期からネットワークインフラの標準を築き上げてきたシスコの歴史と強みに合致する戦略と言えるでしょう 。量子ハードウェアの分野では多くの企業や研究機関が様々な方式（超伝導、イオントラップ、光方式など）で開発競争を繰り広げていますが、シスコはこれらの異なる方式の量子コンピュータを接続する共通の基盤を提供することを目指しています。これにより、特定のハードウェア方式の勝者を選ぶことなく、量子コンピューティングエコシステム全体の発展に貢献できる立場を築こうとしているのです。

シスコの「量子エンタングルメントチップ」：何がすごいのか？

このチップの核心技術は、「量子エンタングルメント（量子もつれ）」という、私たちの日常感覚からは少し不思議に思える量子力学特有の現象を利用している点にあります。

量子エンタングルメントとは？
非常に簡単に表現するならば、ペアになった2つの量子ビット（量子情報の最小単位）が、どれほど遠く離れていても、一方の状態を観測して確定すると、もう一方の状態も瞬時に確定するという、運命共同体のような特別な相関関係を持つ現象です。この現象は、かのアルバート・アインシュタインでさえ「奇妙な遠隔作用 (spooky action at a distance)」と呼び、その不可解さに頭を悩ませたほどです 。

アナロジー：「魔法のコイン」
特別な「魔法のコイン」のペアを想像してみてください。これらのコインは互いに繋がっています。見る前は、それぞれのコインは回転しており、表が出るか裏が出るか決まっていません（これが「重ね合わせ」の状態です）。しかし、片方のコインを手に取って結果（例えば「表」）を確認した瞬間、どれほど遠く離れた場所にあっても（たとえ銀河の反対側でも！）、もう片方のコインの結果も瞬時に確定します（この例では、もしコインが常に同じ面を出すようにエンタングルしていれば「表」、反対の面を出すようにエンタングルしていれば「裏」となります）。重要なのは、最初のコインを「観測」するまでは結果が不確定であり、観測行為がもう一方のコインの確定的な結果に瞬時に影響を与えるという点です。この距離を超えた即時的な相関関係が、エンタングルメントを通信において非常に強力なものにしています。

シスコのチップは、光の粒子である「光子」のペアをエンタングル状態にし、それを利用して量子コンピュータ間で情報を伝送します。具体的には、III-V族半導体導波路における自発的四光波混合というプロセスを用いて、光子ペアを効率的に生成します 。

チップの注目すべき特徴

このチップが実用化に向けて大きな期待を集める理由は、以下の特徴に集約されます。

1. 室温動作 (Room Temperature Operation): 多くの量子デバイスは、量子状態を安定させるために極低温（ほぼ絶対零度）環境を必要としますが、シスコのこのチップは室温で動作します 。これは、大掛かりで高価な冷却装置のコストや運用上の複雑さを大幅に削減し、既存のデータセンターなどへの導入を格段に容易にする、非常に大きな実用上の利点です。

2. 既存インフラとの互換性 (Compatibility with Existing Infrastructure): このチップは、現在広く普及している光ファイバー通信で使われる標準的なテレコム波長で動作します 。これにより、全く新しい通信インフラを敷設することなく、既存の光ファイバー網を活用して量子ネットワークを構築できる可能性が広がります。これは、量子ネットワークの迅速な展開とコスト効率の向上に直結します。

3. フォトニック集積回路（PIC）技術 (Photonic Integrated Circuit – PIC Technology): チップは、光技術をベースにしたフォトニック集積回路（PIC）として設計されています 。これにより、デバイスの小型化、製造コストの低減（半導体製造プロセス応用による量産効果）、そして1mW未満という驚異的な低消費電力を実現しています 。これらの要素は、量子ネットワーク機器を現実的なサイズとコストで提供するために不可欠です。

4. 高性能なエンタングルメント生成 (High-Performance Entanglement Generation): プロトタイプでありながら、1チャネルあたり毎秒100万ペア以上、チップ全体では最大毎秒2億ペアという非常に高いレートで、かつ99%という高い忠実度（正確さ）でエンタングル光子ペアを生成できると報告されています 。これは、実用的な量子通信や分散量子計算に必要な「量」と「質」を兼ね備えていることを示唆し、量子ネットワークの性能を大きく左右する重要な指標です。

これらの画期的な特徴の組み合わせは、単に実験室レベルの成果ではなく、実用的な量子ネットワークの構築に向けた明確な道筋を示すものです。室温動作、既存インフラの活用、PICによる集積化と低コスト化、そして高性能なエンタングルメント生成能力。これらが揃うことで、シスコのチップは、実用的な量子コンピューティングの実現を「最大で10年早める可能性がある」とまで言われています 。これは、量子技術が私たちの社会にもたらす変革を、より早期に体験できるかもしれないという、大きな期待を抱かせるものです。

Cisco Quantum Labs と将来の展望

今回の発表は、エンタングルメントチップだけに留まりません。シスコはカリフォルニア州サンタモニカに「Cisco Quantum Labs」という専門の研究施設を新設しました 。このラボは、エンタングルメントチップのさらなる改良はもちろんのこと、量子ネットワークを実際に機能させるために不可欠な、より広範な技術スタックの研究開発を加速させるための拠点となります。

具体的には、エンタングルメントを効率的に遠くまで分配するためのプロトコル、複数の量子プロセッサに計算タスクを分割・調整する分散量子コンピューティングコンパイラ、開発者が量子ネットワークアプリケーションを容易に構築するための量子ネットワーク開発キット（QNDK）、そしてセキュリティの基礎となる高品質な乱数を生成する量子乱数生成器（QRNG）などの開発が進められています 。これらのソフトウェアやプロトコル群は、高性能なハードウェア（チップ）の能力を最大限に引き出し、開発者が容易に量子ネットワークの利点を活用できるようにするために不可欠です。特にQNDKの提供は、量子ネットワーク技術の普及とエコシステム形成に向けた重要な布石と言えるでしょう。

シスコが目指しているのは、特定の量子コンピュータ技術（例えば、超伝導方式やイオントラップ方式など）に限定されず、将来登場するであろう様々な種類の量子コンピュータを相互接続できる「ベンダー非依存」のフレームワークを構築することです 。これは、現在のインターネットが様々なメーカーのコンピュータやデバイスを繋いでいるように、将来の「量子インターネット」においても、シスコがその基盤となるネットワーク技術を提供するという、壮大かつ長期的なビジョンに基づいています。このベンダー非依存戦略は、量子コンピュータのハードウェア開発競争が依然として流動的である現状において、シスコ自身のリスクを低減すると同時に、多様な量子技術の発展を促す触媒としての役割を果たす可能性を秘めています。共通のネットワーク基盤が存在することで、各ハードウェア開発者は自身のコア技術に集中でき、結果としてエコシステム全体のイノベーションが加速されることが期待されます。

期待される応用分野と社会への影響

量子ネットワークによって相互接続された、強力でスケーラブルな量子コンピュータが実現すれば、私たちの社会の様々な分野で、これまで解決不可能だった問題へのブレークスルーが期待されます。

新薬開発・材料科学: 分子構造や化学反応の極めて複雑なシミュレーションが現実的な時間で行えるようになり、副作用の少ない画期的な新薬や、環境負荷の低い新素材、高効率な触媒などの開発が劇的に加速する可能性があります 。

金融・物流の最適化: 金融市場におけるリスク分析やポートフォリオ最適化、あるいは複雑なサプライチェーンや交通網における配送ルートの最適化など、膨大な組み合わせの中から最良解を見つけ出す問題解決能力が飛躍的に向上します。シスコは特に、金融取引における超精密な時刻同期や安全な意思決定シグナリングなど、量子ネットワークの原理を応用して現在の古典システムに直接的な利益をもたらすユースケースにも着目しています 。これは、本格的な量子コンピュータの普及を待たずとも、量子技術の利点を早期に享受しようとする現実的なアプローチであり、市場のニーズに応えるものです。

人工知能（AI）の進化: より高度な機械学習モデルのトレーニングや、複雑なパターン認識、自然言語処理といったAI分野の計算能力を大幅に向上させ、AIの新たな可能性を切り拓くかもしれません 。

セキュアな通信: 量子エンタングルメントを利用した量子鍵配送（QKD）など、原理的に盗聴が不可能な究極のセキュリティを持つ通信ネットワークの実現が期待されます。これにより、国家機密や企業秘密、個人のプライバシー保護が格段に強化されるでしょう 。

量子技術の進展と考慮すべき点

量子コンピュータが持つ桁外れの計算能力は、大きな可能性 (Promise) を秘めている一方で、新たな課題 (Peril) も生み出します。その最も代表的なものが、現在のインターネット通信やデータ保護の基盤となっている公開鍵暗号システム（RSA暗号など）を容易に解読してしまうリスクです 。これは、私たちのデジタル社会の安全性や信頼性を根底から揺るがしかねない深刻な問題であり、「量子コンピュータによる暗号の危機」として認識されています。

シスコもこの点を深く認識しており、積極的に対策を進めています。具体的には、将来の量子コンピュータによる解読にも耐えうるとされる新しい暗号方式「耐量子計算機暗号（Post-Quantum Cryptography, PQC）」の標準化動向を注視し、自社のネットワーク機器やセキュリティ製品ポートフォリオ全体へのPQC導入を計画・実行しています 。これは、量子技術の恩恵を安全に享受するための不可欠な取り組みです。

【用語解説】

量子コンピュータ (Quantum Computer): 量子力学の特有な現象「重ね合わせ」や「量子もつれ」を計算に応用し、特定問題で従来型コンピュータを圧倒する処理能力を持つ計算機。新薬開発や複雑な最適化問題への応用が期待される。

量子ビット (Qubit): 量子コンピュータで情報を表す基本単位。0であり1でもある「重ね合わせ」状態を取れ、古典ビットより遥かに多くの情報を保持・処理可能。その振る舞いはブロッホ球で視覚化される。

量子エンタングルメント (Quantum Entanglement / 量子もつれ): 複数の量子ビットが、空間的に離れていても互いの状態が密接に結びつく現象。一方の観測結果が、もう一方の状態を瞬時に決定づける。量子通信や分散量子計算の基盤技術。

量子ネットワーク (Quantum Network): 量子ビットやエンタングル状態といった量子情報を、光ファイバー等を通じて伝送・共有するための通信インフラ。量子コンピュータ間の連携や究極の安全性を目指す量子暗号通信を実現する。

フォトニック集積回路 (Photonic Integrated Circuit – PIC): 光（フォトン）を操る複数の光デバイス（レーザー、導波路、変調器等）を、半導体チップ上に高密度に集積した回路。小型・低消費電力で高速な光情報処理を実現する。

【参考リンク】

Cisco Quantum Research（外部）
シスコの量子技術に関する研究開発の公式情報ハブ。関連論文やブログへのポータル。

Cisco Newsroom Blog: Quantum Networking: How Cisco is Accelerating Practical Quantum Computing（外部）
シスコによる今回の量子ネットワークチップとラボ開設に関する公式発表ブログ記事。

Outshift by Cisco Blog: Building the fabric of quantum networking: Inside Cisco’s Quantum Data Center vision（外部）
シスコの先進技術部門Outshiftが解説する、量子データセンター構想とエンタングルメントチップ技術詳細。

UC Santa Barbara Quantum Photonics Lab (Prof. Galan Moody)（外部）
本チップ共同開発パートナー、カリフォルニア大学サンタバーバラ校 量子フォトニクス研究所の公式サイト。

【編集部追記】

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