南アフリカ共和国ヨハネスブルクのウィットウォーターズランド大学の研究チームが、送信者と受信者の間で物理的に情報を送信しない量子輸送法を用いて、まるでSF作品『スタートレック』のように画像の「テレポーテーション」に成功したと発表した。

この世界初の画期的な転送実験の成功について研究者らは、高次元のもつれ状態を実現する量子ネットワークの実現に向けた最初の重要な一歩だと述べている。

ウィットウォーターズランド大学の主任研究者であるAndrew Forbes教授は、「従来は、量子領域であっても、2つの通信相手が一方から他方へ情報を物理的に送信していました。『スタートレック』の技術が現実のものとなったのです」と語る。

研究者らは、量子領域を使って情報を転送するこれまでの試みは、限られた成功しか収めていないと指摘している。しかし、そのような方法であっても、送信者と受信者の間で、ある程度の量の情報が物理的に行き交う必要があった。一方、今回Forbes氏らが行ったプロセスが画期的なのは、レーザー光学を利用してその部分を取り除き、通信する2者間を情報が物理的に移動しないようにしているのだ。

この画期的な技術の鍵は、非線形光学検出器として知られる装置を使用したことである。この方法によって、送信側と受信側を物理的に行き来することなく、受信側から送信される光子と送信される情報を重ね合わせ、あたかもテレポートされたかのように受信側に情報を表示させることが可能になった。

研究チームはまた、彼らのアプローチは15次元ものデータを取り込み、さらに高次元まで拡張可能であり、”高い情報容量を持つ量子ネットワーク接続への道を開く”と報告している。

スタートレック式「テレポーテーション」

プレスリリースの中で、研究者らは、彼らのプロセスにはいくつかの重要な利点と、1つの重大な欠点があると述べている。

このタイプのデータ転送の主な利点は、情報が物理的に送信されなければ、傍受されたり、不要な第三者に「ハッキング」されたりすることがないという事実である。研究者たちが挙げている例のひとつに、口座認証のために銀行に指紋を送るというアイデアがある。

「新しく提案された量子輸送方式では、銀行は情報のない光子（もつれペアの1つ）を顧客に送り、顧客はそれを非線形検出器上で送信される情報と重ね合わせます。その結果、情報はあたかもテレポートされたかのように銀行に現れるのです。両者の間で物理的に情報が送信されることは決してないため、傍受は無駄ですが、当事者を接続する量子リンクは量子もつれ光子の交換によって確立されます」と、プレスリリースでは説明されている。

逆に、研究者たちによれば、この方法を使えば、SF小説によく出てくるような問題、つまりオリジナルのクローンを作ってしまう可能性があるという。

「この構成では、不正な送信者がテレポートされる情報のより良いコピーを保持することを防ぐことができないため、慎重にならざるを得ません。つまり、もしスコッティが望んだのであれば、『スタートレック』の世界に多くのMr.スポックのクローンができてしまう可能性があるのです」と、このプロジェクトのリーダーの一人であるICFO（バルセロナ）のAdam Vallés博士は説明する。

しかし、Vallés博士は次のように説明する。「実用的な観点からは、我々が現在実証している構成は、2者間の量子通信に高次元のセキュアなチャンネルを確立するためにすでに使用することができます」。

結局のところ、研究者たちによれば、彼らの方法は、かつて純粋にフィクションであったこの技術を現実に実現したものに最も近いものだという。彼らの設計に少し改良を加えれば、『スタートレック』のような画像全体、あるいは人間そのもののテレポーテーションというアイデアも、そう遠い先の話ではないという。

「このプロトコルには、1 つの重要な要素を除いて、テレポーテーションの特徴がすべて備わっています。送信者が何を送信するかを知ることができるように、非線形検出器を効率的にするために明るいレーザー ビームが必要ですが、知る必要はありません。この意味で、これは厳密にはテレポーテーションではありませんが、非線形検出器をより効率的にすることができれば、将来的にはテレポーテーションになるかもしれません」と、Forbes氏は説明している。

論文

• Nature Communications: Quantum transport of high-dimensional spatial information with a nonlinear detector

参考文献

• University of the Witwatersand: ‘Teleporting’ images across a network securely using only light

研究の要旨

物理的な輸送を伴わずに情報を共有する、離れた2者間の情報交換は、将来の量子ネットワークにおいて極めて重要なリソースである。高次元状態を用いてこれを行うことで、より高い情報容量とノイズ耐性の向上が期待できるが、これまでの進展は限定的であった。ここでは、非線形パラメトリックプロセスによって、空間的自由度において任意の高次元状態の投影が可能になり、強いコヒーレント場がプロセスの確率を高めることを示す。これにより、単一のもつれペアと非線形空間モード検出器を持つ量子チャネルによって、高次元空間情報の量子輸送を実験的に実現することができる。和周波発生を用いて、もつれペアからの光子の一方をアップコンバートし、他方に高次元空間情報を輸送する。我々は、軌道角運動量、エルミートガウシアン、および任意の空間モードの重ね合わせにエンコードされた情報を、送信される状態の知識なしに忠実に転送することによって実証する、任意の光子空間モード用のd=15の量子チャネルを実現する。我々の実証は、構造化された光の非線形制御と量子プロセスの新分野を融合し、高次元量子状態を利用する新しいアプローチを提供するものであり、他の自由度にも拡張される可能性がある。