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ノーベル賞受賞の量子力学の不思議が、通信の暗号化や身体の画像化など、新たなハイテク産業を支えている

ハッキング不可能な通信機器、高精度GPS、高解像度医療用画像処理には、共通点がある。これらの技術(開発中のものもあれば、すでに市場に出ているものもある)はすべて、量子もつれ(エンタングルメント)という非直感的な現象に依存しているのだ。

原子や光子のペアのような2つの量子粒子は、もつれ合うことができる。つまり、一方の粒子の性質が他方の粒子の性質と結びついており、一方の粒子を変化させると、その距離にかかわらず、もう一方の粒子に瞬時に影響が及ぶ。この相関関係は、量子情報技術において重要な資源となる。

量子もつれは、物理学の研究対象である一方、実用化されている技術でもあり、新興の量子情報処理産業で主役を担っている。

パイオニア

2022年のノーベル物理学賞は、フランスのアラン・アスペ(Alain Aspect)氏、アメリカのジョン・クラウザー(John Clauser)氏、オーストリアのアントン・ツァイリンガー(Anton Zeilinger)氏の量子もつれの実験的研究の深い遺産を認めたもので、これは物理学者として大学院に入学した当初から個人的に感動していたことだった。アントン・ツァイリンガーは、私の博士課程の恩師であるポール・クウィアット(Paul Kwiat)の指導教官であり、光量子もつれにおけるデコヒーレンスを実験的に理解するという私の論文に大きな影響を与えた。

デコヒーレンスとは、環境と量子物体(この場合は光子)が相互作用して、重ね合わせの量子状態から外れることである。重ね合わせ状態では、量子力学的な物体は環境から隔離され、コイン投げで表と裏の両方が出るように、2つの正反対の状態が同時に混在する不思議な状態で存在する。2つ以上の量子的な物体がもつれ合うには、重ね合わせ状態が必要である。

量子もつれがもたらす距離

量子もつれは、量子情報処理に不可欠な要素であり、ノーベル賞受賞者らが開拓した光もつれは、量子情報の伝送に極めて重要である。量子もつれは、大規模な量子通信ネットワークの構築に利用することができる。

長距離量子ネットワークの実現に向けて、ツァリンガー教授の元教え子の一人であるジァンーウェイ・パン(Jian-Wei Pan)教授らは、衛星通信によって地球上の約1,203km離れた2地点に量子もつれを分布させることを実証している。しかし、量子情報の直接伝送は、伝送中に多くの光子が物質に吸収され、十分な量の光子が目的地に届かないという損失があるため、伝送速度に限界がある。

この問題を克服するために、量子中継器という新しい技術が不可欠となるが、これには量子もつれが重要となる。エンタングルメント・スワッピングと呼ばれる初期の量子中継器の重要なマイルストーンは、1998年にツァイリンガー教授らによって実証された。エンタングルメント・スワッピングは、2組のもつれた光子をそれぞれ1つずつリンクさせることで、最初は独立していた2つの光子をもつれさせ、互いに遠く離れた場所にある光子をももつれさせる。

量子防御

量子通信の応用として最もよく知られているのは、量子鍵配送(Quantum Key Distribution, QKD)であろう。これにより、暗号鍵を安全に配布することができる。この鍵が適切に保管されていれば、将来強力な暗号解読用量子コンピュータが出現しても、鍵は安全である。

QKDの最初の提案では、量子もつれを明示的に必要としなかったが、その後、量子もつれに基づくバージョンが提案された。この提案のすぐ後に、テーブルの上で短い距離を空中で移動しながら、この技術の最初のデモンストレーションが行われた。量子もつれベースのQKDの最初のデモンストレーションは、ツァイリンガー、クワイアット、ニコラス・ギシン(Nicolas Gisin)氏らが各々率いる研究グループによって、2000年5月にPhysical Review Letters誌の同号に発表された。

これらのもつれベースの分散鍵は、通信の安全性を劇的に向上させるために使用することができる。2004年にオーストリアのウィーンで銀行送金を行ったツァイリンガーグループが、この線に沿った最初の重要なデモンストレーションを行った。このとき、QKDシステムの2つの部分は、大手銀行の本店とウィーン市庁舎に設置された。光子を運ぶ光ファイバーはウィーンの下水道に設置され、1.45kmに及んでいた。

量子もつれの商業化

今日、量子鍵配送技術を商業化している企業は数少なく、私のグループの共同研究先であるQubitek社は、エンタングルメントに基づくQKDのアプローチに焦点を当てている。最近のQubitekkの商用システムを用いて、私と同僚はテネシー州チャタヌーガで安全なスマートグリッド通信を実証した。

量子通信、量子コンピューティング、量子センシング技術は、軍事および情報コミュニティにとって大きな関心事だ。また、量子もつれは、光センシングによる医療画像の向上や、高分解能の無線周波数検出、GPS測位の向上も期待できる。さらに、量子もつれを利用した安全な通信をネットワーク経由で顧客に提供する「エンタングルメント・アズ・ア・サービス(entanglement-as-a-service)」を展開する企業もある。

このほかにも、量子ネットワークによって実現される量子アプリケーションは数多く提案されているし、まだ発明されていないものもある。量子コンピュータは、従来のデジタルコンピュータではうまくスケールアップできない問題の直接シミュレーションを可能にすることで、おそらく社会に最も直接的な影響を与えるだろう。一般に、量子コンピュータは、動作時に複雑なもつれネットワークを生成する。このようなコンピュータは、エネルギー消費の削減から個人に合わせた医療の開発まで、社会に大きな影響を与える可能性がある。

また、量子センサーネットワークは、暗黒物質など、現在の技術では見ることができない現象を測定できる可能性がある。数十年にわたる基礎実験と理論的研究によって解明された量子力学の不思議さは、世界的に急成長している新たな量子産業を生み出している。

本記事はThe Conversationに掲載された記事「Nobel-winning quantum weirdness undergirds an emerging high-tech industry, promising better ways of encrypting communications and imaging your body」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

著者紹介
nicholas peters

Prof. Nicholas Peters

ニコラス・ピータース(Nick A. Peters)博士は、オークリッジ国立研究所の量子情報科学グループを率い、また、テネシー大学のブレデセンセンターと共同教授を務めている。ピーターズ博士は、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校で物理学の修士号と博士号を取得し、ヒルズデール大学で物理学と数学の学士号をSuma Cum Laudeで取得しました。2015年にORNLに入社する前は、Telcordia Technologies/Applied Communications Sciences(旧Bell Communications Research)で約10年間勤務していました。Peters博士は、国防高等研究計画局(DARPA)、エネルギー省(DOE)科学局先端科学計算研究プログラム室、DOEサイバーセキュリティ・エネルギーセキュリティ・緊急対応局(CESR)の複数機関コラボレーションの主席研究員として活躍しています。専門は光量子状態生成(特にエンタングルメント)、操作、測定。現在の研究テーマは、量子通信と量子ネットワーキングの基礎と実用的な側面です。ピータース博士は、2016年からOptics Expressのアソシエイトエディターを務めています。

Webサイト : https://quantum.utk.edu/people/nicholas-a-peters/

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この記事を書いた人

TEXAL管理人。学校の授業でMS-DOSを使っていたくらいの年代。Windows95の登場で衝撃を受け、テクノロジー業界に興味を持つ。以来ガジェット・ゲーム情報を追い続けてうん十年。大学では物理を専攻していたこともあり、物理・宇宙関係の話題も大好き。

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