慶應義塾量子インターネットセンター

本センターでは、量子インターネットや、その主要な構成要素である分散量子情報処理システム・量子ネットワークの実現を目指す。さらには、そのスムーズな社会実装を目指す。このために、量子コンピュータネットワークや分散量子情報処理に関する基礎研究・開発に加え、データセンターサイズ・広域サイズのテストベッド環境を整備してプロトタイプの研究開発に取り組む。また、ELSIやエコシステム構築等、量子インターネット技術による未来社会の創造に資する多様な研究・活動に取り組む。この目的の達成には産学官での多組織連携が必要であり、組織横断的にそのような連携を推進する量子インターネットタスクフォース（https://qitf.org/）の慶應義塾拠点として、QITFの活動を積極的に行う。

量子インターネットの実現には、物理や工学・情報に跨る多様な専門性を持つ研究者が、協力して研究開発に取り組んでいく必要がある。また、量子前提社会という新しい情報処理パラダイムへ問題なく移行するために、量子情報技術のインパクトに関する分析や量子インターネットが社会実装された未来像の社会的な醸成など、多様な研究・活動に取り組んでいく必要もあろう。

上記の活動に慶應義塾として積極的に取り組んでいくために、本センターを立ち上げる。また、長期の多組織連携母体である量子インターネットタスクフォース（ https://qitf.org/ ）において既に協力関係にある産・学・官の組織との連携を強める。さらに、新規の協力組織・研究資金の参集を働きかけていく。

量子情報の汎用通信網である量子インターネットの実現に資する活動を実施する。量子情報処理の発展においても、分散計算・分散情報処理が重要である。これには2つの理由がある。まず、実用的に役立つ大型の量子コンピュータの実現方針として、多数の小型〜中型の量子コンピュータを接続して仮想的に1台の大型量子コンピュータとして扱うモジュラーなデザインが最も工学的に期待できる。また、インターネットが広域コンピュータネットワーキングと分散処理によって社会革新を起こしてきたように、量子情報においても広域コンピュータネットワークや分散処理が本質的に新しい応用を生み出す可能性を秘めている。

本センターでは、量子インターネットの社会実装や、インターネットと量子インターネットが連携して人類社会を発展させる未来像の創造に資する多様な研究に取り組む。成果として、論文・インタフェース等の仕様・技術・人材・未来像・ロードマップ等を発表・創出・排出する。

（活動計画）

・量子インターネットの構成要素を洗い出し、現状の構成部品におけるパフォーマンスの予測値の算出ならびに計画の厳密化を行う。

・量子光による物理層の作成、並びに、制御システムの研究開発に取り組む。

・テストベッドにおいて、量子リンクを動作させる。

・テストベッドにおいて、ルーティング等を含め、統合的な量子コンピュータネットワークシステムとして動作させる。

・量子インターネットのプロトタイプとして、ウェブアクセス可能とし、公開する。

・量子ネットワークによる分散量子計算に関する研究を行う。

（これまでの主な成果）

この2年間で、量子インターネットやその中で分散型量子計算を実現するためのアーキテクチャおよび理論研究の成果として以下のような目覚ましい成果を挙げてきた。(下線部はセンター長)

2024年度国際会議論文受賞：

　IEEE QCE2024 MontrealにおいてQNET trackのBest paper award 第2位

　""Architecture and protocols for all-photonic quantum repeaters"" N Benchasattabuse, M Hajdusek, R Van Meter

2025年度国際会議論文受賞：

　IEEE QCE2025 AlbuquerqueにおいてQNET trackのBest paper award 第2位

　""Automatic Configuration Protocols for Optical Quantum Networks"" A Taherkhani, A Todd, K Teramoto, S Nagayama and R Van Meter

上記の成果を含めたこれまでの研究業績が評価され、本センター長であるロドニー・バンミータ教授の2025年9月に開催されたIEEE QCE2025 Albuquerqueにおいてキーノート講演を行なった。

同キーノートでは、本センターにおける量子インターネットテストベッドにおける量子インターネットのためのプロトタイプスイッチの開発に成功し、その性能評価およびこれを組み合わせて実現できる量子インターコネクト用のネットワークトポロジである""Q-Fly""の提案を行いpreprintとして公開したことにも言及した。

https://arxiv.org/abs/2412.09299

（継続の必要性）

各国で量子ネットワークのテストベッド環境構築が進められているなか、慶應義塾としても新川崎を拠点に同様の環境を構築途中である。

内閣府ムーンショット型研究開発プロジェクトをはじめとした複数プロジェクトが環境構築にコミット中・コミット予定であり、これらの研究開発には本センターに知見を集中させて産学官連携を強化することが必須である。

そしてテストベッドで開発中のプロトタイプスイッチを実用的な量子ネットワークシステムとして稼働できるよう、今後は複数スイッチに拡大しそれらを動作させるためのプロトコルの開発そしてその原理実証を継続的に行う必要がある。

このため、慶應義塾拠点となる本センターの継続設置が必要である。

2025年度は、前年度より継続して量子ネットワークテストベッドの開発を推進した。量子ネットワークの実機開発においては、アーキテクチャ設計を重視し、世界的にも例の少ないスケーラブルな量子インターコネクトの構築に取り組んだ。海外の有力研究拠点（Berkeley、Chicago 等）との連携も継続し、先行研究で得られた最小構成ネットワークの成果を基盤として、大規模拡張を想定した検証・評価を実施した。

また、新規目標として長距離量子通信の研究を強化した。新川崎KBICに設置したプロトタイプ量子ネットワークと矢上キャンパスまでの長距離フィールドファイバを活用し、キャンパス間通信の実証を進めた。これにより、実環境における量子ネットワーク運用に向けた基盤的知見を得るとともに、今後の拡張に向けた技術的課題の整理を行った。

以上の取り組みにより、当初計画した量子ネットワーク実機開発を概ね達成し、研究成果として次段階の大規模ネットワーク検証へつながる進展が得られた。

(論文)

M. Ishihara, A. Brendan, W. Roga, U. L. Andersen, and M. Takeoka, “Long-distance device-independent quantum key distribution with standard optics tools”, Optica Quantum 3, 535 (2025).

M. Ishihara, A. J. E. Bjerrum, W. Roga, J. B. Brask, U. L. Andersen, and M. Takeoka, “Long-distance device-independent conference key agreement”, Phys. Rev. A 112, 032429 (2025).

H. Shimizu, W. Roga, D. Elkouss, and M. Takeoka, “Simple loss-tolerant protocol for Greenberger-Horne-Zeilinger-state distribution in a quantum network”, Phys. Rev. A 111, 022624 (2025).

H. Shimizu, J. Yoshimoto, K. Tanji, A. Hosaka, J. I.-Hayase, T. Horikiri, R. Ikuta, and M. Takeoka, ”Quantum state estimation of multipartite single-photon path entanglement via local measurements”, Phys. Rev. A 111, 022619 (2025).

Natchapol Patamawisut, Naphan Benchasattabuse, Michal Hajdušek, Rodney Van Meter,""Quantum Circuit Design for Decoded Quantum Interferometry"",IEEE Quantum Week 2025

Hikaru Yokomori, Marii Koyama, Naphan Benchasattabuse, Michal Hajdušek, Shota Nagayama, Rodney Van Meter,""Evaluation of Distimation’s Real-world Performance on a Superconducting Quantum Computer"",Evaluation of Distimation's Real-world Performance on a Superconducting Quantum Computer

Pawan Sharma Poudel, Kenji Sugisaki (Quantum Computing Center, Keio University), Michal Hadjušek (Graduate School of Media and Governance, Keio University), Rodney Van Meter (Faculty of Environment and Information Studies, Keio University),""Determining Molecular Ground State with Quantum Imaginary Time Evolution using Broken-Symmetry Wave Function"",IEEE Quantum Week (QCE) 2025

P Chianvichai, P Pathumsoot, N Benchasattabuse, M Hajdusek, R Van Meter and S Suwanna, Topology-Dependent Enhancement of Entanglement Extraction in Repeater Graph States, accepted to International Conference on Quantum Communications, Networking, and Computing (QCNC 2026).

B Ousmane Sane, M Hajdusek and R Van Meter, Optimizing Resource Allocation in a Distributed Quantum Computing Cloud: A Game-Theoretic Approach, accepted to International Workshop on Quantum Networking and Computing (in conjunction with QCNC 2026).

N Benchasattabuse, M Hajdusek, R Van Meter, Bridging All-Photonic and Memory-Based Quantum Repeaters, IEEE Transactions on Quantum Engineering 7, 4100515 (2026).

J C A Casapao, A G Maity, N Benchasattabuse, M Hajdušek, R Van Meter, D Elkouss, Disti-Mator, an entanglement distillation-based state estimator, Communications Physics 8, 461 (2025).

(プレナリ―講演)

M. Takeoka, “Quantum communication with single-photon interference and its applications”, IEEE Photonics Society Summer Topicals 2025, Berlin, Germany, July 21-23, 2025 (Plenary).

(国際会議発表)

M. Ishihara, W. Roga, M. Takeoka, “Bell inequalities tailored for W states and their applications to device-independent quantum key distribution”, QCrypt2025, Sanya, China, August 25-29, 2025.

A. Brendan, M. Ishihara, W. Roga, M. Takeoka, “Relaxing detection efficiency thresholds in device-indepent quantum key distribution with optical tools”, QCrypt2025, Sanya, China, August 25-29, 2025.

M. Ishihara, A. Brendan, W. Roga, M. Takeoka, “Long-distance device-independent quantum key distribution with displacement-based measurement”, 25th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS2025), Hong Kong, August 4-8, 2025.

W. Roga, B. Chevalier, X. Lu, W. Wang, S. Yamaguchi, and M. Takeoka, “Low-bond-dimension binary tensor network approximation as a task for quantum computers”, The International Symposium on Quantum Science, Technology, and Innovation (Quantum Innovation 2025), Congres Square Grand Green Osaka, July 29-August 2, 2025

M. Ishihara, W. Roga, M. Takeoka, “Long distance device-independent quantum cryptography with W states”, The International Symposium on Quantum Science, Technology, and Innovation (Quantum Innovation 2025), Congres Square Grand Green Osaka, July 29-August 2, 2025

S. Kiryu and M. Takeoka, “Loss tolerant entanglement swapping with repetition squeezed coherent states”, The International Symposium on Quantum Science, Technology, and Innovation (Quantum Innovation 2025), Congres Square Grand Green Osaka, July 29-August 2, 2025

H. Shimizu, R. Ikuta, and M. Takeoka, “Enhancement of the rate-loss scaling for polarization entanglement distribution”,

The International Symposium on Quantum Science, Technology, and Innovation (Quantum Innovation 2025), Congres Square Grand Green Osaka, July 29-August 2, 2025

B. Chevalier, W. Roga, M. Takeoka, “A Monte-Carlo method for combinatorial optimization supported by quantum computers”, The International Symposium on Quantum Science, Technology, and Innovation (Quantum Innovation 2025), Congres Square Grand Green Osaka, July 29-August 2, 2025

Y. Ueda, M. Ishihara, W. Roga, M. Takeoka, “Loss-tolerant quantum network sensing protocol for arbitrary linear combination of distributed multiple parameters”, The International Symposium on Quantum Science, Technology, and Innovation (Quantum Innovation 2025), Congres Square Grand Green Osaka, July 29-August 2, 2025

K. Utsunomiya, M. Tagami, H. Shimizu, M. Nagai, J. I.- Hayase, T. Satoh, and M. Takeoka, “Toward Secure Cloud-Based Quantum Computing: Experimental Generation of Three-Qubit Entanglement for Ancilla-Driven Blind Quantum Computation”, The International Symposium on Quantum Science, Technology, and Innovation (Quantum Innovation 2025), Congres Square Grand Green Osaka, July 29-August 2, 2025

E. Kawai, H. Shimizu, R. Yoshida, D. Funato, O. Harata, K. Tanji, R. Ikuta, and M. Takeoka, “Entanglement swapping in 3 km field fiber with dual-band phase stabilization”, The International Symposium on Quantum Science, Technology, and Innovation (Quantum Innovation 2025), Congres Square Grand Green Osaka, July 29-August 2, 2025

M. Tagami, K. Utsunomiya, H. Shimizu, M. Nagai, J. I.- Hayase, T. Satoh, and M. Takeoka, “Toward experimental demonstration of Ancilla-Driven Blind Quantum Computation: Numerical analysis of the photonic parameter-blinded variational quantum eigensolver”, The International Symposium on Quantum Science, Technology, and Innovation (Quantum Innovation 2025), Congres Square Grand Green Osaka, July 29-August 2, 2025

A. Brendan, M. Ishihara, W. Roga, M. Takeoka, “Long-distance device-independent quantum key distribution with standard optical tools”, The International Symposium on Quantum Science, Technology, and Innovation (Quantum Innovation 2025), Congres Square Grand Green Osaka, July 29-August 2, 2025

H. Shimizu, J. Yoshimoto, J. Ishi-Hayase, R. Ikuta, and M. Takeoka, “Heralded distribution of polarization entanglement using photon number basis Bell-state measurement”, The 14th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS2025), Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan, April 21-25, 2025.

E. Kawai, H. Shimizu, O. Harata, K. Tanji, R. Ikuta, and M. Takeoka, “Transmission of single-photon entanglement in 10 km fiber with dual-band phase stabilization”, The 14th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS2025), Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan, April 21-25, 2025.

Rodney Van Meter, J Chung (Argonne), M Hajdušek (Keio), N Benchasattabuse (Keio), A Kolar (Argonne), A Singal (Argonne), K S Soon (Keio), and K Teramoto (Mercari), A Zang (Argonne), R Kettimuthu (Argonne), and R Van Meter (Keio),""Cross-validating quantum network simulators"",INFOCOM 2025, London,2025/5/19

Takafumi Oka, Michal Hajdušek / Keio University,""A Tailored Fidelity Estimation and Purification Method for Bootstrapping a Quantum Network"",Albuquerque Convention Center,2025/9/4

Joshua Carlo Casapao, Joshua Carlo A. Casapao (OIST), Ananda G. Maity (SNBNCBS, OIST), Naphan Benchasattabuse (Keio Univ.), Michal Hajdušek (Keio Univ.), Akihito Soeda (NII, SOKENDAI), Rodney Van Meter (Keio Univ.), David Elkouss (OIST),""A Double Selection Entanglement Distillation-based State Estimator"",Albuquerque Convention Center,2025/9/3

(国内会議発表)

上田悦大、石原誠、ロガヴォイチェフ、武岡正裕、”光子数量子もつれを用いた任意の線形結合パラメータ推定のための量子ネットワークセンシング”、日本物理学会第80回年次大会、広島大学東広島キャンパス、広島、2025年9月16-19日

丹治和史、清水耀、武岡正裕、”光子数基底の重ね合わせを用いた高次元ベル測定とエンタングルメントスワッピング”、第52回量子情報技術研究会（QIT52）、静岡大学浜松キャンパス、静岡、2025年5月28日-30日

桐生翔平、武岡正裕、“Repetition squeezed coherent状態を用いたロス耐性のあるエンタングルメントスワッピング”、第52回量子情報技術研究会（QIT52）、静岡大学浜松キャンパス、静岡、2025年5月28-30日

清水耀、生田力三、武岡正裕、“光子数基底エンタングルメントスワッピングを用いた偏光量子もつれの伝令付き配布”、第52回量子情報技術研究会（QIT52）、静岡大学浜松キャンパス、静岡、2025年5月28-30日

小山尚輝、石原誠、武岡正裕、“Improvement of the minimum detection efficiency required for the device-independent conference key agreement”、第52回量子情報技術研究会（QIT52）、静岡大学浜松キャンパス、静岡、2025年5月28-30日

(受賞)

横森光,Poster Award - Quantum Innovation 2025,IEEE Quantum Week (QCE) 2025,大阪,2025/8/2

Amin Taherkhani, Andrew Todd, Kentaro Teramoto, Rodney Van Meter, Shota Nagayama,Quantum Networking and Communications Track (QNET) Best Paper – 2nd Place – Awarded,IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE25),アルバカーキ,2025/9/5

Natchapol Patamawisut, Naphan Benchasattabuse, Michal Hajdušek, Rodney Van Meter,Quantum Algorithms & Benchmarking for Scientific & Optimization Workflows (QALG) Best Paper – 2nd Place – Awarded,IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE25),アルバカーキ,2025/9/5

(プレスリリース)

永山 翔太, Amin Taherkhani, Andrew Todd, Kentaro Teramoto, Rodney Van Meter, and Shota Nagayama,量子ネットワーク構築を自動化へ－“挿せば使える”量子ネットワークデバイスの自動設定技術－,2025/11/17

日本の量子ネットワークテストベッドの成果に関する論文を投稿した。また、IEEEの学会で招待講演・招待論文を発表した。

星型トポロジで、量子ネットワーク4ノードの接続に成功した。このネットワークでは、量子光スイッチが通信のスイッチングを行い、任意の3つのエンドノード間で量子もつれを生成する。このリクエストと処理には、開発した通信プロトコルを用いている。また、分散量子コンピュータに適した世界最初の量子インターコネクトアーキテクチャを考案した。

日本の量子ネットワークテストベッドの成果に関する論文を投稿した。また、IEEEの学会で招待講演・招待論文を発表した。

2024年4月1日～2028年3月31日