参考：量子テレポーテーションが安全な通信を実現する方法

量子テレポーテーションの新たな進歩は、ますます頻繁に起こっています。今日、ヨーロッパの物理学者のチームが、これまで以上に高い基準を設定しました。カナリア諸島の荒れた海洋大気を抜けて約 90 マイルの距離をテレポーテーションしたことを公式に報告した後、物理学者は、これまでで最大の挑戦、つまり粒子を宇宙にテレポーテーションする試みに取り組む準備ができている可能性があります。しかし、なぜでしょうか?

量子テレポーテーションは、空が青いのと同じくらい複雑ではあるが、情報を転送する便利で安全な方法になり得る。残念ながら、人間には使えない。これはスタートレックではない。しかし、2012年には、ハッキング不可能で完全に暗号化された形式でのデータのテレポーテーションが、これまで以上に実現しつつある。

木曜日、ネイチャー誌は量子の魔術師アントン・ツァイリンガーとウィーンの量子光学・量子情報研究所の同僚によるオンライン論文の先行版を掲載した。チームは、カナリア諸島のラ・パルマ島とテネリフェ島の間で光子を89マイルテレポートさせた。そして先月、同じ雑誌は中国チームの最新のテレポート記録を掲載した。これは、光子を60マイルテレポートさせたという、彼ら自身のこれまでの偉業を完全に打ち破るものだ。両チームは5月に、互いに数日違いでこれらの成果を初めて報告した。

しかし、この記録破りのせいで、実際に起こっていることの複雑さが隠されている。結局のところ、技術的には、粒子はそこまでの距離を飛んでいないのだ。

光子の中には、物理​​的に2地点間の距離を移動したものもあったが、物理学者が「エンタングルド・リソース」と呼ぶものを構築するための準備ツールとしてのみ使用されたと、フランス、パレゾーにある光学研究所のフィリップ・グランジェ氏は説明する。次に、テレポートされる実際の光子を記述する情報、特に偏光やその他の特性が移動された。テレポートされた粒子は、ある場所に存在し、その後、どこか別の場所に存在した。

これが可能なのは、テレポーテーション実験における光子が切っても切れない結びつきを共有しているためです。この結びつきは非常に強いため、2 つの粒子がどれだけ離れていても、1 つの粒子に起こることはもう 1 つの粒子にも起こります。これは、アインシュタインが「遠隔作用の怪物」と呼んだものです。光子をエンタングルメント状態にすること自体が課題ですが、これについては後ほど詳しく説明します。次に、光子をテレポーテーションするには、そのうちの 1 つのリモート コピーを作成する必要があります、とグランジェ氏は言います。これは、ファックスのようなものですが、オリジナルが破棄され、コピーが受信された瞬間に破棄されるファックスと考えてください。何らかの方法で情報を中継する必要がありますが、量子エンタングルメントによりこれが可能になります。

選択するエンタングルメントの方法は、テレポートしたい粒子の種類によって異なります。たとえば、荷電原子をテレポートしたい場合は、エンタングルメントされたイオンを使用します。光子の場合は、偏光した光子をエンタングルメントします。あるいは、昨年 Noriyuki Lee とその同僚が実現した光の量子化状態である可能性があります。後者は非常に複雑なシナリオで、2 つの量子状態を同時に持つ光子の小さなパケットをテレポートします。(これは量子重ね合わせと呼ばれ、シュレーディンガーの猫の例で最もよく説明されます。理論上の箱に入れられると、箱を開けて確認するまで、死んでいると生きているの両方の状態になります。その後は、どちらか一方だけになります。) 対象が何であれ、最初にいくつかの粒子をエンタングルメントして、何が起こっても同じ結果を共有するように、それらの運命を絡ませる必要があります。

このエンタングルメントはさまざまな方法で発生する可能性があり、新しい研究が行われるたびに詳細かつ複雑になっています。しかし、より重要なのは、エンタングルメントされた光子が干渉されてはならないということです。干渉されなければ、テレポーテーションの時間前にエンタングルメントが中断されてしまいます。テレポーテーションが数十マイルまたは数百マイルに及ぶ場合、これは非常に困難です。雨、雲、砂、さらには風によって光の伝達が妨げられる可能性があるからです。

「実際の遠距離環境では、
「今回のテレポーテーション実験には課題がいくつかある。これらの課題の最も重要な点は、標準的な技術を使用する場合に極めて低い信号対雑音比に対処する必要があることだ」とザイリンガー氏らは書いている。

「普通の物体の場合、エンタングルされたリソースの複雑さは信じられないほど大きくなり、管理不能になり、瞬時に破壊されてしまいます。」カナリア諸島の実験では、ザイリンガー氏と同僚はラパルマ島とテネリフェ島をまたいで、古典的なものと量子的なものの 2 つの光リンクを使用しました。彼らは、情報伝送実験では通常「アリス」と「ボブ」というアルファベットの名前で参照される 2 つのサイト間で光子の偏光をテレポートしたいと考えていました。

古典的リンクでは、2 つの光子をアリスとボブに送信して、エンタングルメント リソースを作成できます。簡単に言うと、光子はサファイア レーザーで作成され、光ファイバー ケーブルを介して A と B に移動します。量子リンクでは、アリスとボブがこれらの光子の偏光情報を共有できます。これらの光子は光子 2 と 3 と呼ばれます (光子 1 については後ほど説明します)。アリスには光子 2、ボブには光子 3 があり、これが「エンタングルメント リソース」です。次に、第三者の「チャーリー」が光子 1 を挿入します。この新しい光子の偏光は、アリスにもボブにもわかりません。次に、アリスはベル状態測定と呼ばれる測定を行う必要があり、その結果によってすべての光子の運命が決まります。

「測定の結果は、最初のシステムを破壊します。この測定から得られるのは、1 つの結果、つまり数値結果です」とグランジェ氏は言います。「次に、この結果を別の側に送り、新しいシステムを再構築します。」

アリスの光子 1 の測定値によって、ボブの光子がどのように変換されるかが決まります。アリスは、古典的な光子中継チャネルを使用して、測定値をボブに送信します。ボブは情報を受け取ると、アリスの光子 1 の測定値によって決定された光子変換を実行できます。すると、ボブは光子 3 を手に入れますが、これは新しく入力された光子 1 と同じ状態になります。これは完全なコピーです。

この測定情報の転送はアクティブフィードフォワードと呼ばれ、リーらが昨年の光パケットシュレーディンガーの猫実験で使用した技術でもある。グランジェ氏は、この規模で行われたことはこれまでなかったと述べた。カナリア諸島チームはまた、アリスとボブの両方の場所の時計を同期させることで新たな進歩を遂げ、測定の精度を向上させた。

「独創的なのは、非常に長距離のフィードフォワードと高品質の伝送など、あらゆるものを組み合わせた点です」とグランジェ氏は語った。

こうした量子の混乱の目的は何だろうか。グランジェ氏は、安全な通信のためだと説明する。適切な変換測定が行われたときにのみ受信できる、特定の測定可能な状態で光子をテレポートする。これは優れたセキュリティである。海を越えて高い忠実度でそれが可能であることを証明するのも、かなりの偉業である。この研究は、暗号化されたデータを転送する、将来の地上から衛星への量子中継に期待がかかる、とザイリンガー氏とその同僚は言う。

ここで達成された距離は、地球と衛星を結ぶのに必要な距離よりも実際は難しいと研究チームは述べている。「私たちの実験は、宇宙と地上間の量子通信を必要とする将来の宇宙量子ネットワークに向けた重要な一歩を表しています」と研究チームは書いている。「両方の実験で実装された技術は、衛星と長距離地上通信の両方に必要な成熟度に確実に達しています。」

唯一の難点は、これが非常に注意深く制御された量子システム内でのみ機能することです。たとえば、量子テレポーテーションは量子コンピューター内の内部「配線」要素として機能する可能性があります。ただし、物理的なオブジェクトでは機能しません。

人間をビームアップするには、適切だが容易には考えられないエンタングルされた資源、つまり第2の「人間」を作らなければならない。そして、テレポートされた生物の本来の姿を破壊しなければならないとグランジェ氏は語った。

「光子やイオンをテレポートすることは、非常に注意深く制御された量子コンピューター内では、おそらくその多くをテレポートすることは十分可能です。しかし、それ以上に、リソースの複雑さとデコヒーレンスに対する脆弱性により、それは完全に不可能です」と彼は言いました。

「通常のマクロな物体の場合、エンタングルメントされたリソースの複雑さは信じられないほど大きくなり、管理不能になり、デコヒーレンスによって瞬時に破壊されます。」