量子テレポーテーション

量子テレポーテーションとは

量子テレポーテーションは、量子状態を転送するための革新的な技術であり、量子もつれの性能を利用して実現されます。一般的に、この技術は「テレポーテーション」という名称が示すように、物質が瞬時に別の場所に移動することを想起させますが、実際にはそのような移動が行われるわけではありません。ここでのテレポーテーションは、量子状態を消去し、それを別の場所で再現するプロセスを指します。つまり、ある場所に存在した量子状態が、他の位置に現れるのです。

基本原理

量子テレポーテーションの中心にあるのは、EPRペアと呼ばれる量子もつれ状態です。このEPRペアは、2つの粒子の間に強い相関を形成し、一方の粒子の状態を測定すると、もう一方の粒子の状態が直ちに定まるという特性を持っています。例えば、光子の偏光状態を使った場合、光子1が水平偏光を持っていると観測された際、光子2も同様に水平偏光であることが確定します。これが、量子もつれによる非局所性という特性です。

量子テレポーテーションを行う際の基本ステップは次の通りです。まず、送信者（例: Aさん）は、光子0の量子状態を持っており、事前に生成したEPRペアの一方を受信者（例: Bさん）に送ります。次に、Aさんは光子0と光子1（EPRペアの一方）を用いてベル測定と呼ばれる特殊な観測を行います。これにより、得られた結果を古典的な通信手段でBさんに伝えます。Bさんはこの情報を基に、自分の持つ光子2に対して特定の操作を実行し、元の光子0の量子状態を再現します。これが量子テレポーテーションの概要です。

実験とその進展

この技術に関する初期の研究が行われたのは1993年であり、チャールズ・ベネットらによる論文が基礎を築きました。その後、1997年にはオーストリアのインスブルック大学の研究チームが離散変数において初めて実験的な量子テレポーテーションを成功させました。ただし、彼らの成果は特定の条件下でのみ成立するものであり、ピュアなテレポーテーションではないと批判されることもありました。

翌年、1998年にはカリフォルニア工科大学のグループが、無条件のテレポーテーションを実現し注目を集めました。この成功により、量子テレポーテーションの実現に向けた道が開かれました。その後、古澤明教授の研究チームが2004年に3者間、2009年には9者間の量子テレポーテーションを達成し、量子ネットワークの可能性を示唆しました。

2013年には、古澤教授のグループが改良された技術を用いて61%の成功率で完全な量子テレポーテーションを達成しました。2016年には中国の研究チームが世界初の量子通信衛星を打ち上げ、地上と宇宙間で量子通信に成功しました。

まとめ

量子テレポーテーションは、量子もつれという原理に基づいた革新的な情報転送技術であり、未来の量子通信ネットワークの基盤となる可能性を秘めています。近年の研究と実験は、この現象の実用化に向けた進展を示しており、量子テクノロジーの活用はますます広がると考えられています。

このように、量子テレポーテーションは理論と実験を結ぶ架け橋として、量子物理学のさらなる理解を深める重要な研究分野となっています。

もう一度検索