量子もつれ

量子もつれについての解説

量子もつれ（りょうしもつれ、英: quantum entanglement）は、量子物理学における重要な現象の一つであり、一般に「古典物理学では説明できない量子多体系間の相関」を指します。この現象は、量子情報理論においてより具体的な定義が与えられ、「LOCC（局所量子操作及び古典通信）で増加しない多体間の相関」を示す用語としても使われます。この2つの観点は異なりますが、どちらも量子もつれの本質を理解する上で欠かせない要素です。

エンタングル状態の定義

量子もつれは、複合系の状態がその構成要素である個々の量子状態の積で表現できないときに存在します。このような状態を「エンタングル状態」と呼びます。量子もつれの特性は、特に純粋状態でも混合状態でも見られます。たとえば、部分系Aと部分系Bから構成される複合系について考えた場合、もしその複合系の純粋状態が次のように表されない場合:

$$
ext{ϕ}_B⟩,
$$

ここで「⊗」はテンソル積を示します。このような場合、状態「|ψ⟩」はエンタングル状態であると認識されます。

混合状態とエンタングル状態

混合状態の場合も同様に、各部分系A、Bの状態を密度行列で表します。複合系の混合状態が次の形で表現できない場合:

$$
ext{ρ}_{AB} ≠ ext{∑}_{i} p_{i} ext{ρ}_{A}^{(i)} ⊗ ext{ρ}_{B}^{(i)},
$$

この時、混合状態ρ_ABはエンタングル状態であるとされます。

非局所相関の例

量子もつれを理解するための一つの例として、スピン1/2を持つ2粒子A、Bの系を考えます。これらの粒子は、ある時刻に相互作用し、後に離れた状態となります。最初の相互作用によって全体の量子状態は次のようになります:

$$
↑_B⟩),
$$

ここで、特定の粒子のスピンの状態を測定すると、他方の粒子の状態に対して強い相関が認められます。具体的には、粒子Aのスピンを測定すると、粒子Bのスピンも即座に逆の状態に決まるのです。これは、量子もつれの特徴であり、離れていても相互に影響し合う性質を持っています。

量子もつれの応用

量子もつれの性質は、さまざまな量子情報処理タスクに応用されています。特に注目されているのは量子テレポーテーションです。これは、量子もつれと古典情報を使用して、離れた場所にある量子状態を転送する技術です。また、スーパーデンス・コーディングにおいては、量子もつれを使って2ビットの古典情報を効率的に伝達する手法があります。

量子もつれの画像化

最近、イギリスのグラスゴー大学の研究チームは、量子もつれを画像として記録することに成功しました。この成果は、量子コンピュータの研究における新しい進展を示唆するものとして注目されています。彼らは、光子をもつれ状態にしてビームスプリッターを利用し、特定の条件下でデータの記録に成功しました。

量子もつれの理解と応用は、今後の科学技術の発展において極めて重要です。

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