史上初、複雑な光のパターンを量子テレポートさせることに成功（スコットランド・南アフリカ研究）

　量子の不可思議さでもってメッセージをくるんでしまうことは、情報漏洩を防ぐ最上の手段である。これは量子技術に劇的な進歩をもたらし、無限のチャンネルを通じて暗号化された情報を送信する量子通信の未来の扉を開くことになるかもしれない。

　スコットランドと南アフリカの研究チームは、世界初となるエンタングルメント・スワッピング（もつれの交換）なるものの実験デモを行なった。

　これを利用することで、光子の軌道角運動量をこれまでよりずっと遠くに送信することが可能になる。

長年にわたり謎とされてきた粒子の特性

　長年にわたり、粒子の特性は、それを測定する系の文脈においてでしか記述できないと言われてきた。粒子がその特性がある数であることを告げるものに衝突しなければ、その粒子は無限の確率を持つ曖昧な状態で存在し続ける。

　ここで奇妙なことがある。もしその粒子が測定される前に別の粒子と干渉したとすると、その別の粒子もまた測定系の一部であると言えるということだ。それについても、測定された粒子についても、両方がもつれるのである。

　最初の粒子の特性を測定することは、それを可能性から現実のものに変えるということだ。さらに、その測定はまったく同時にもつれた相手を可能性から現実のものに変える。 　アインシュタインはこの理論にはどこか欠陥があると考え、折に触れて「不気味」とこき下ろしている。これについては1世紀近くが経過しているというのに、我々はいまだに得心できないでいる。

　それでも、もつれの奇妙なプロセスを用いれば、傍受不可能な超複雑コードを生成して、極めて堅牢なセキュリティを構築することができる。

　もつれた”可能性”（量子ビットという）の2つの配列が別個の2点に送信されているところを思い浮かべてみよう。各受信者は、伝達の特性を解読し、それが一致しているか相手に確認をとることで、それぞれが携えるメッセージが干渉されたのかどうかを知ることができる。

　一致していなければ、何者かが不正に光子を交換したということだ。

　しかし問題が1つある。量子ビットの配列を長距離で送信すると喪失するリスクがあるのだ。 　このところ量子通信が大ニュースとして報じられている。分割されたレーザーを用いて1,200キロ上空の宇宙空間にまでもつれた光子を飛ばしたという実験のことだ。

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　快挙であることは間違いないが、それでも世界的なネットワークを構築しようというのであれば、話にならないくらいの短距離でしかない。しかもこの送信にはダイレクトな見通し線が不可欠だ。

エンタングルメント・スワッピングにより長距離の送信が可能に

　今回の新手法は、基本的に、一定間隔でセット可能で、もつれた粒子を量子状態のまま通過させることができる増幅器である。

　鍵となるのがエンタングルメント・スワッピング現象だ。A1とA2、B1とB2という2対のもつれた光子を想像してほしい。それぞれのペアの1つ（A1とB1）の同時に観測すると、それらはいわゆるベル状態測定の同じ系の中でもつれる。

　このことは、A2とB2もまたその相棒のおかげでもつれるということだ。

　これがもつれのスワッピング（交換）部分であり、中継器の基盤となる。これを使うと、短距離の量子メッセージを盗聴されたとみなされることなしに複写し、さらにもう一飛び送信することが可能になる。

　量子状態は通常2値である。ゆえに短点（トン）と長点（ツー）のモールス信号とほとんど変わらない。 　だが、これで終わりではない。情報技術の歴史から何かしら学べるとすれば、十分すぎるバンド幅などないということだ。

　そこで軌道角運動量の出番だ。一種の光子のねじれだと思えばいい。1と0、あるいはトンツーでメッセージを作る代わりに、軌道角運動量を用いれば粒子1つで運べる情報を増やすことができる。これ自体は新しいものではなく、大量の光子で長距離をカバーするために必要となる一種の空間モードとして、コード化された情報の送信がすでに行われている。

　エンタングルメント・スワッピングが意味することとは、こうした光子を短距離の送信を繰り返しながら送信可能であるということだ。さらに、可能性としては別種の空間モードを利用しての情報送信を実現し、チャンネル数が無限にある未来への扉を開くこともできるかもしれない。

　アインシュタインに頭痛の種を与えたほど奇妙な量子力学だが、実に役立つものだ。きっと未来はもっと不気味だろう。

via:phys / sciencealertなど/ translated by hiroching / edited by parumo
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