テレポーテーションとは、量子情報を宇宙のある部分から別の部分へ、その間の空間を移動することなく送ることができる能力である。ある粒子を記述するすべての情報を別の粒子に送ることで、この2番目の粒子は最初の粒子のすべての特性を持つようになる。
物理的には最初の粒子と区別がつかず、ある意味では、宇宙の別の場所にいるにもかかわらず、最初の粒子となる。このことから、テレポーテーションと呼ばれるようになり、1990年代に初めて実証された。
今日、テレポーテーションは量子光学研究所の標準的な現象であり、徐々に出現しつつある量子インターネットを支える基盤技術となっている。
エネルギー伝送
しかし、これには別の使い道がある。2000年代に入り、東北大学の堀田昌寛氏が、テレポーテーションが情報を伝送できるのであれば、エネルギーも伝送できるはずだと提案し、このアイデアを発展させた。そして、量子エネルギーテレポーテーションの理論的な基礎を築いたのである。
このたび、ニューヨーク州ストーニーブルック大学の池田一毅教授が、通常の量子コンピュータを用いて初めてエネルギーのテレポーテーションに成功したと発表した。「我々は、実際の量子ハードウェア上で量子エネルギーテレポートを初めて実現し、観察したことを報告します」と彼は言い、エネルギーをテレポートする能力は、将来の量子インターネットに深い影響を与える可能性があると付け加えている。
量子エネルギーテレポートの鍵となる考え方は、あらゆる量子システムのエネルギーは常に揺らいでいるということだ。この自然なエネルギーのゆらぎを、量子レベルで利用することができるのだ。
堀田氏はもともと、量子系の一部を測定すると、必然的にエネルギーが注入されることを指摘していた。しかし、量子の世界では、そのエネルギーを別の場所から取り出せば、エネルギーがその間を移動することはない。エネルギーを得ることも失うこともなく、ただ移動させるだけなのだ。
この考えを実証するには、同じ量子状態を共有し、絡み合った量子粒子の集合が必要である。
しかし、堀田氏が考案した当時は、このような粒子はなかなか手に入らなかった。しかし、池田氏は、量子コンピュータの登場により、近年、もつれた粒子の系が容易に入手できるようになったと述べている。
実際、IBMの量子コンピュータは超伝導量子ビットをベースにしており、インターネットでアクセスすることができる。池田氏は、堀田氏のアイデアを実現する量子アルゴリズムを書き、IBMの量子コンピュータでそれを実行しただけである。「結果は、理論の厳密な解と一致しています」と彼は言う。
IBMの量子コンピュータの内部では、池田氏はコンピュータ・チップの大きさほどの距離しかエネルギーをテレポートさせることができなかった。しかし、このアイデアを実証した以上、もっと長い距離のテレポーテーションもすぐに可能になるはずだと池田氏は言う。
量子ネットワーク
例えば、ストーニーブルック大学とブルックヘブン国立研究所を結ぶ158kmのリンクのように、既存のリンクでこれを行う技術はすでに利用可能であると彼は指摘する。「さらに進んで、量子インターネットが実現すれば、おそらく2030年代にはエネルギーをテレポートできるようになるでしょう」と、池田氏は言う。
池田教授によれば、これは非常に大きな意味をもつという。「量子エネルギーを長距離にわたって転送できるようになれば、量子通信技術に新たな革命が起こるでしょう。」
エネルギーや情報が量子インターネット上で取引され、取引者は最も経済的な場所を選んで情報を得ることができるようになると池田は想像している。そうなれば、量子情報経済学という新しい学問が生まれるという。
もちろん、その実現には多くの段階がある。特に、テレポーテーションが有用な量のエネルギーを伝送できることを示すことが重要である。また、エネルギーテレポーテーションと情報テレポーテーションはどこまで違うのか、その違いはどこにあるのかということも興味深い問題である。それによって、宇宙の深層心理や、情報、エネルギー、その他の原始的な要素が、私たちの現実の中でどのような役割を担っているのかが明らかになるはずだ。
論文
参考文献
研究の要旨
物理量を遠隔地にテレポートすることは、量子情報科学技術に残された重要な課題である。量子テレポーテーションは、量子情報の転送を可能にしましたが、量子物理量のテレポーテーションはまだ実現されていない。本発表では、実際の量子ハードウェアを用いた量子エネルギーテレポーテーションの実現とその観測に初めて成功したことを報告する。IBMの超伝導量子コンピュータを複数台用いて実現した。結果は理論の厳密解と一致し、測定誤差の緩和により改善された。量子エネルギーテレポーテーションは局所的な操作と古典的な通信のみを必要とする。したがって、我々の結果は、現在の量子コンピュータと通信技術で完全に達成可能な現実的なベンチマークを提供する。
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