＜これまでの研究内容・成果＞
相互情報量の解析解 （1998年〜2002年）
相互情報量の最大化 （1998年〜2001年）
符号化の量子利得特性 （1998年〜）
符号化のエンタングルメントの効果 （2003年〜2004年）
エンタングルメント援助による通信路容量 （2004年〜2006年）
スクィズド状態通信路の容量 （2007年〜）
量子受信機の実現化 （1989年〜2002年）
量子復号過程の実現化 （1997年〜2006年）
ＳＲＭの性質解明 （1997年〜）
量子符号の最適復号過程の導出 （1998年〜2005年）
混合状態の最適検出過程の導出 （1998年〜）
量子準最適受信機の実現化とその改良 （2007年〜）
量子プロトコル（平文の直接暗号化）の提案 （1998年〜2000年）
量子情報セキュリティのための量子誤り訂正符号（2001年〜2006年）
光通信量子暗号による鍵生成 （2004年〜）
コヒーレント状態のための量子ゲート回路 （1999年〜）
不完全な擬似ベル状態のエンタングルメント特性（2002年〜2006年）
エンタングルメント純粋化と量子誤り訂正 （2006年〜）
擬似ベル状態による量子テレポーテーション （2007年〜）
量子受信機の実現化（1989年〜2002年）
【概要】量子通信理論によると，古典的な限界を超えて，通信の性能を大幅に向上させることが可能である．
その限界は，信号の物理量の測定と古典的な決定のみでなく，量子力学的に許されるあらゆる測定を考え，最適化を行うことで，示される．
しかし，得られた最適解の物理的な対応は自明ではなく，実際に量子受信機を得るためには，新たに実現化問題を解かなければならない．
これを明らかにすることは，量子通信理論が単なる理論ではなく，技術として具現化されるために不可欠である．
我々は，10年以上にわたり，この問題に取り組んでいる．
非ユニタリ過程による実現化（２元信号の場合）
S. Bun, T. Sasaki, H. Tsushima, O. Hirota, and M. Nakagawa,
T. Sasaki and O. Hirota,
A realization of optical communication using received quantum state control,
Trans. IEICE, E73, pp.1647-1656, (1990.10).
An optical receiver overcome the standard quantum limit,
IEICE Trans. Communications, E75-B, pp.514-520, (1992.6).
T. Sasaki, T. Satoh, K. Yamazaki, and O. Hirota,
T. Sasaki and O. Hirota,
Signal-to-noise ratio of optical system consisting of squeezer and optical Kerr medium,
J. of Mod. Opt., 41, pp.2275-2289, (1994.12).
An example of a received quantum state controller by optical Kerr effect,
Quantum Communications and Measurement, Plenum Press, pp.419-427, (1995).
M. Sasaki, T. S. Usuda, and O. Hirota,
Physical aspect of improvement of quantum noise characteristics caused by unitary transformation with nonlinear optical medium,
Phys. Rev. A51, pp.1702-1705, (1995.2).
M. Sasaki, T. S. Usuda, O. Hirota, and A. S. Holevo,
Applications of the Jaynes-Cummings model for the detection of nonorthogonal quantum states,
Phys. Rev. A53, pp.1273-1279, (1996.3).
T. S. Usuda and M. Hata,
On the realization of received quantum state control by unitary transformation,
Quantum Communication, Computing and Measurement, Plenum Press, pp.127-137, (1997).
Y. Fujihara, S. Tatsuta, T. S. Usuda, I. Takumi, and M. Hata,
Realization of quantum receiver for M-ary signals,
IEICE Trans. on Fundamentals., E84-A, pp.906-912, (2001.4).
量子復号過程の実現化（1997年〜2006年）
【概要】準備中
量子一括測定の実現化アルゴリズムのアイデアとその例
（主要な結果は，通信総合研究所(現NICT)・玉川大学による）
M. Sasaki, T. S. Usuda, M. Izutsu, and O. Hirota,
Realization of a collective decoding of codeword states,
Phys. Rev. A58, pp.159-164, (1998.7).
ＳＲＭの性質解明（1997年〜）
【概要】準備中
ＳＲＭが２元線形符号に対する誤り最小復号であることの証明
T. S. Usuda, I. Takumi, M. Hata, and O. Hirota,
Minimum error detection of classical linear code sending through a quantum channel,
Phys. Lett., A256, pp.104-108, (1999.5).
T. S. Usuda, S. Usami, I. Takumi, and M. Hata,
Superadditivity in capacity of quantum channel for q-ary linearly dependent real symmetric-state signals,
Phys. Lett. A305, pp.125-134, (2002.11).
T. S. Usuda, T. Tomari, and S. Usami,
`Pure' square-root measurement and its optimality for mixed-state signals,
AIP Conference Proceedings, vol.734, American Institute of Physics, New York, pp.107-110, (2004).
澤田友宏, 臼田毅, 内匠逸,
Square-root measurement の擬古典性,
電気学会論文誌 (C), 採録決定, (2009.12).
相互情報量の解析解（1998年〜2002年）
【概要】符号長がある程度長くなると，相互情報量の計算規模が大きくなるため，符号化した場合の量子通信の復号特性を解明することが困難であった．
本研究では，相互情報量の解析解を導出し，同一の計算機環境で，従来の数万倍以上の規模の符号の特性を調査可能とした．
まず，2元線形符号に対する相互情報量の解析解を示し，その一般化として，q元擬巡回符号についても，相互情報量の解析解を示した．
２元線形符号に対するSRMによる相互情報量の解析解
S. Usami, T. S. Usuda, I. Takumi, and M. Hata,
A simplification algorithm for calculation of the mutual information by quantum combined measurement,
IEICE Trans. on Fundamentals., E82-A, pp.2185-2190, (1999.10).
T. S. Usuda, S. Usami, I. Takumi, and M. Hata,
Superadditivity in capacity of quantum channel for q-ary linearly dependent real symmetric-state signals,
Phys. Lett. A305, pp.125-134, (2002.11).
量子符号の最適復号過程の導出（1998年〜2005年）
【概要】誤り率を最小にする，最適な量子復号過程を明らかにすることを目的とし，研究を進めている．
まず，2元線形符号に対する誤り最小復号が，いわゆるSRMであることを示し，その一般化として，q元擬巡回符号についても，誤り最小復号がSRMで与えられることを示した．
２元線形符号に対する誤り最小復号（純粋レター状態の場合）
T. S. Usuda, I. Takumi, M. Hata, and O. Hirota,
Minimum error detection of classical linear code sending through a quantum channel,
Phys. Lett., A256, pp.104-108, (1999.5).
T. S. Usuda, S. Usami, I. Takumi, and M. Hata,
Superadditivity in capacity of quantum channel for q-ary linearly dependent real symmetric-state signals,
Phys. Lett. A305, pp.125-134, (2002.11).
混合状態の最適検出過程の導出（1998年〜）
【概要】混合状態は，古典雑音を含む一般の量子状態で，純粋状態よりもより実際的な信号を表現できる．古典雑音ゼロの信号を実験的に得るのは困難であるため，量子通信の実験，実用化のためには，混合状態のための量子受信機の理論が不可欠である．しかし，その難解さから，混合状態に対する最適検出過程は，ほとんど未解明であった．本研究では，送信機のエラーという形で，古典確率（古典雑音）が導入された混合状態に対し，その最適検出過程が，古典雑音をゼロにした場合の純粋状態に対する最適検出過程と一致することを証明した．
送信エラーがある場合の最適検出過程（多元信号の場合）
Y. Fujihara, T. S. Usuda, I. Takumi, and M. Hata,
Relation between optimum quantum detection operators for pure and mixed-state signals,
Electronics and Communications in Japan (Part III), 86, John Wiley & Sons, (2003.10).
相互情報量の最大化（1998年〜2001年）
【概要】量子通信路を通し，最大でどのくらいの情報を伝送可能かを解明することを目的とし，研究を進めている．
３相ＰＳＫ信号の相互情報量最大化
（主要な結果は，玉川大学による）
M. Osaki, T. S. Usuda, and O. Hirota,
Group covariant detection for a three-phase shift keyed signal,
Phys. Lett. A245, pp.189-196, (1998.8).
S. Usami, K. Itoh, T. S. Usuda, I. Takumi, R. Nakano, and M. Hata,
A study on maximization of mutual information for extension of binary quantum signals,
Proc. of ISITA2000, pp.421-424, (2000.11).
T. S. Usuda, I. Takumi, R. Nakano, M. Osaki, and M. Hata,
Property of mutual information for M-ary quantum-state signals,
Quantum Communication, Computing, and Measurement 3, Plenum Press, pp.39-42, (2001).
符号化の量子利得特性（1998年〜）
【概要】符号化による利得は，量子，古典ともに存在する．
では，量子による利得は，どのように定義されるべきか．
また，それは定量的にどれほどのものであるか．それを解明するのが，この研究である．
２元信号に対する情報量規準に基づく特性
S. Usami, T. S. Usuda, I. Takumi, R. Nakano, and M. Hata,
Superadditivity in capacity of quantum channel by classical pseudo-cyclic codes,
Quantum Communication, Computing, and Measurement 3, Plenum Press, pp.35-38, (2001).
Properties of quantum gain of coding with information criterion by binary linear codes,
Electrical Engineering in Japan, vol.163, no.4, pp.48-57, Wiley Periodicals, inc., (2008.4).
Y. Hayashi, S. Usami, T. S. Usuda, and I. Takumi,
Quantum coding gain with error probability criterion for binary linear codes,
Proc. of ISITA2002, pp.475-478, (2002.10).
佐原僚介, 林祐一, 宇佐見庄五, 臼田毅, 内匠逸,
誤り率と情報量双方の規準に基づく量子利得をもつ符号の例,
電気学会論文誌 (C), vol.128, no.12, pp.1743-1744, (2008.12).
T. S. Usuda, S. Usami, I. Takumi, and M. Hata,
Superadditivity in capacity of quantum channel for q-ary linearly dependent real symmetric-state signals,
Phys. Lett. A305, pp.125-134, (2002.11).
量子プロトコルの提案（1998年〜2000年）
【概要】従来，量子暗号といえば，BB84プロトコルに代表される，量子鍵配送プロトコルを指していたが，我々は，1998年以来，鍵配送以外の情報機能をもつセキュリティプロトコルの開発を目指し，研究を進めてきた．
1999年には，単に乱数の共有だけでなく，データそのものをセキュアに伝送する（平文の直接暗号化）プロトコルを発表した．
その原理は，予備通信により短い初期鍵を共有し，量子通信のための送受信者の基底として用いることであった．
同じ目的を果たすものとして，疑似乱数生成の概念を導入し，もっと洗練されたY-00プロトコルが，Yuenにより後に提案されている．現在，Y-00は，光通信量子暗号と呼ばれ，BB84を凌駕する長距離・高速な第２世代の量子暗号として，実用化研究が進められている．
平文の直接暗号化プロトコル
T. Kudo, T. S. Usuda, I. Takumi, and M. Hata,
Application of quantum cryptography to an eavesdropping detectable data transmission,
IEICE Trans. on Fundamentals., E82-A, pp.2178-2184, (1999.10).
コヒーレント状態のための量子ゲート回路（1999年〜）
【概要】量子インターネット上で，量子コンピュータが端末として接続されたとき，量子通信路出力をそのまま処理可能な，ネットワーク対応型量子コンピュータの開発を目指し，コヒーレント状態のための量子ゲート回路の研究を行っている．
コヒーレント状態は，大きなエネルギー損失があってもその性質を維持するため，超長距離通信のために用いることが可能である．
この研究は，量子通信のための最適復号も実施可能な量子回路を明らかにするものである．
近似ゲートの評価と代替ゲートの提案＆量子ビットの測定法
S. Tatsuta, T. S. Usuda, I. Takumi, R. Nakano, and M. Hata,
Quantum measurement and universal gates for Schrodinger cat states as qubit,
Proc. of ISITA2000, pp.417-420, (2000.11).
量子情報セキュリティのための量子誤り訂正符号（2001年〜2006年）
【概要】量子情報には，コピー不可能とか，誤りが測定前に定まっているわけではないなど，古典情報とは異なる性質がある．
したがって，量子情報に必要となるセキュリティ機能は，古典情報セキュリティで考えられているものだけではなく，別の様々な機能が必要となると考えられる．
このような，量子情報の特殊性（古典情報と違う）を考慮すれば，誤り訂正符号も，古典誤り訂正のために必要であった体系だけではなく，新たな視点で可能性を探るべきである．
本研究では，このような意味で，量子情報セキュリティのための量子誤り訂正符号の開発を進めている．
特定位置量子誤り訂正符号の提案とその量子プロトコルへの応用
H. Shiraki, S. Usami, T. S. Usuda, and I. Takumi,
Quantum error correcting code for specific position errors and its application,
Proc. of EQIS2003, pp.111-112, (2003.9).
南條弘行, 大橋直史, 臼田毅, 内匠逸,
特定位置量子誤り訂正符号による量子バックアップ機能の検討,
電気学会論文誌 (C), 126, pp.1535-1536, (2006.12).
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不完全な擬似ベル状態のエンタングルメント特性（2002年〜2006年）
【概要】準備中
不完全な擬似ベル状態のエンタングルメント特性：フィデリティによる評価
R. Yamamoto, T. S. Usuda, and I. Takumi,
Properties of nonideal quasi-Bell states : alignment mismatch and decoherence,
Proc. of EQIS2005, pp.193-194, (2005.8).
山本竜太郎, 服部誠司, 臼田毅, 内匠逸,
片側エネルギー減衰を受けた擬似ベル状態のエンタングルメント特性,
電気学会論文誌 (C), 126, pp.1531-1532, (2006.12).
符号化のエンタングルメントの効果（2003年〜2004年）
【概要】準備中
記憶のある減衰通信路に対する符号化のエンタングルメントの効果
T. Mizuno, T. S. Usuda, and I. Takumi,
Effect of entangled inputs on attenuated channel with memory,
Proc. of EQIS2004, pp.134-135, (2004.9).
エンタングルメント援助による通信路容量（2004年〜2006年）
【概要】準備中
直交エンタングルメント状態援助による通信路容量の特性
S. Hattori, T. Mizuno, and T. S. Usuda,
Comparison of capacities of an optical channel assisted by orthogonal entangled states and two-mode squeezed states,
Proc. of EQIS2005, pp.93-94, (2005.8).
光通信量子暗号による鍵生成（2004年〜）
【概要】準備中
Y-00鍵生成に対するDSRの効果
T. S. Usuda,
Y-00 key generation with non-weak coherent-states,
Symposium on quantum cryptography by optical communications, Chuo University, (2005.11).
T. Tsuchimoto, T. Sawada, S. Usami, T. S. Usuda, and I. Takumi,
Property of optimum quantum detection for mixed states with non Gaussian and Gaussian noise,
Proc. of ISITA2006, pp.750-753, (2006.10-11).
T. Sawada, T. Tsuchimoto, and T. S. Usuda,
Quantum detection of artificial mixed-state signals,
Proc. of QCMC'06, NICT Press, pp.405-408, (2007).
エンタングルメント純粋化と量子誤り訂正（2006年〜）
【概要】準備中
量子誤り訂正符号による不完全な擬似ベル状態の純粋化
南條弘行, 臼田毅, 内匠逸,
(3,1)量子誤り訂正符号による擬似ベル状態の純粋化,
電気学会論文誌 (C), vol.128, no.12, pp.1741-1742, (2008.12).
S. Yamaguchi, T. S. Usuda, and I. Takumi,
Improvement of the probability of sharing entangled states in two-way entanglement purification protocols,
Proc. of AQIS2009, pp.196-197, (2009.8).
擬似ベル状態による量子テレポーテーション（2007年〜）
【概要】準備中
不完全な擬似ベル状態による確率的量子テレポーテーション
山口悟, 臼田毅, 内匠逸,
非対称エネルギー減衰した擬似ベル状態による確率的量子テレポーテーション,
電気学会論文誌 (C), 採録決定, (2009.12).
スクィズド状態通信路の容量（2007年〜）
【概要】準備中
離散信号系におけるスクィズド状態の優位性
浅見侑太, 服部友輔, 佐原僚介, 臼田毅,
3ASK信号に対するスクィズド状態とコヒーレント状態の通信路容量の比較,
電気学会論文誌 (C), 採録決定, (2010.1).
量子準最適受信機の実現化とその改良（2007年〜）
【概要】準備中
量子準最適受信機の実現法の改良とその特性
今枝麻美, 吉川誠広, 臼田毅,
3相PSKコヒーレント状態信号に対する量子準最適受信機の改良,
電気学会論文誌 (C), 採録決定, (2009.12).