量子鍵配送は、秘密裏に読み取られることのない通信を約束する技術だが、これをネットワークとして構築する際には、これまで常に選択を迫られてきた。ほとんどの設計では、鍵がハブを経由して転送されるため、ユーザーはそのハブを信頼しなければならない。より野心的なアーキテクチャである完全接続型ネットワークは、各ユーザーを他のすべてのユーザーと直接結ぶが、その複雑さは急激に増大するため、これまでに作られたのはごく小さな概念実証版だけだった。中国科学技術大学（USTC）が率いるチームは今回、1種類のレーザーチップを用いて従来設計を妨げていたボトルネックを回避し、200 kmの光ファイバーにわたって200ユーザーまで拡張できる完全接続型ネットワークを報告した。この成果は2026年8月3日付でNature Communicationsに掲載された。
このプロジェクトを動機づけたセキュリティ上の問題は、VPNを使ったことがある人なら誰でもよく知っているものだ。インフラを運営する者は、原理的には通過するデータを覗き見できるのである。量子鍵配送（QKD）では、2つの当事者が単一光子を交換し、計算の困難さではなく物理法則を用いて、第三者が検出されることなく鍵を傍受できないことを保証する。しかし、ネットワーク事業者が光子を自らの設備を通して転送する場合、事業者の信頼性がセキュリティモデルの一部になる。
測定装置非依存型QKD（MDI-QKD）は、その前提を取り除く。両方のユーザーが光子を中央局に送り、中央局がベル状態測定を行って結果を公表する。中央局は光子を測定してその結果を公開するだけなので、たとえ完全に悪意があっても鍵を知ることはできない。難点は規模にあった。Nユーザーのネットワークでは、完全接続型のMDI構成は、Nの2乗に比例して増える数のレーザーペア間での精密な周波数ロックを名目上必要とする。これまでの実証は3ノードで止まっていた。
USTCチームの解決策はソリトンマイクロコムである。これはチップ規模のデバイスで、1台のレーザーから等間隔に並んだ数百の光周波数（コム歯）を生成する。各ユーザーに必要なシードレーザーは1台だけで、すべてのシードレーザーは同じ波長で動作し、ルビジウムの原子遷移に局所的にロックされている。これにより、ネットワーク全体で多数の異なる波長を同期させる必要がなくなる。続いて、シリコンフォトニクスの送信チップがコム歯を単一光子パルスに切り分け、偏光状態に符号化する。光子はリンクの各経路を最大100 km進み、信頼されていない中央局で合流し、そこでMDI-QKDの中核をなす2光子干渉効果であるHong-Ou-Mandel測定において干渉する。
結果は、この手法が大規模でも機能することを示している。チームは、コム全体に広がる80のチャネルペアにわたって干渉を検証し、平均可視度は48.5%で、この方式の理論上の最大値である50%に近かった。標準的な光ファイバー200 kmにわたって、各ユーザー間の接続は平均で毎秒約62ビットを維持し、16.7分ごとに新しい鍵が抽出された。著者らは、約200の周波数チャネルと時分割多重を組み合わせれば、このアーキテクチャは数千ユーザーを支えられる可能性があると指摘している。これまでの完全接続型量子ネットワークと比較すると、ユーザー数は1桁多く、鍵レートは3桁高い。
毎秒62ビットの鍵レートはデータチャネルではなく、鍵の更新メカニズムである。また、今回の実証は、能動的な偏波補償を備えた実験室で、スプールに巻かれた光ファイバーを用いて行われた。チャネル数は現在、コムを分波するために使用されるアレイ導波路グレーティングの通過帯域によって制限されており、このネットワークは大陸間ではなく、都市圏および都市間の距離を想定して設計されている。チームはまた、これはアーキテクチャの実現可能性を示すデモであり、実際に展開されたサービスではないと強調している。
この成果を単なる記録以上のものにしているのは、その方向性である。著者らは、同じアーキテクチャが、コム歯をポンプとして用いてもつれ合った光子対を生成し、もつれ交換を信頼されない中継器が実行する量子中継ネットワークに応用できると論じている。その道筋が実現すれば、完全接続型トポロジーは理論論文から、都市同士が量子鍵を交換する際に、一体誰を信頼する必要があるのかという実用的なインフラの問いへと移行する可能性がある。
Source: Wang, F.-X., Zheng, S.-T., Huang, L., Zhang, G.-W. et al. “Microcomb-driven large-scale fully connected quantum network.” Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75658-6. Preprint: arXiv:2512.17318.
雅子 訳