中国の科学者が新たなブレークスルーを達成：エンタングルメントに基づく初の都市間量子ネットワークを構築！

（写真提供：TUCHONG Creative）

最近、中国科学技術大学は単一光子干渉技術を用いて長距離量子ストレージノード間の量子もつれを実現し、これを基に世界初の量子もつれに基づく都市規模の3ノード量子ネットワークを構築した。この研究により、実際の量子もつれネットワークの距離は数十メートルから数十キロメートルに増加しました。当該研究結果は、2024年5月に世界トップクラスの学術誌「ネイチャー」に掲載される予定だ。

では、量子もつれネットワークとは何でしょうか?その重要性は何ですか?

量子もつれの魔法

量子もつれは量子力学における特異な現象です。これは、2 つ以上の粒子が結合した量子重ね合わせ状態を表します。また、単一の粒子の異なる物理量が結合した量子状態を表すこともあります。この種の相関関係の形成は、運動量保存則やエネルギー保存則などの保存則によって制限されることが多いです。つまり、これらすべての量子重ね合わせ状態をすべての組み合わせでまとめ、保存則に従わないものを除去すると、残ったものが量子もつれ状態になります。

2 つの粒子の量子もつれの場合、2 つの粒子が離れていても、それらの量子状態を独立して記述することはできず、全体的な量子もつれの波動関数によってのみ記述できます。粒子の 1 つが測定され、その状態が決定されると、他の粒子の状態も直ちに決定されます。古典物理学の枠を超えたこの時空を超えたつながりは、アインシュタインによって「不気味な遠隔作用」と名付けられました。

量子ビット伝送

量子もつれは、量子情報の最小単位である量子ビットを伝送するために使用することができ、これを量子テレポーテーションと呼びます。長距離量子もつれは量子ビットを長距離にわたって伝送できるため、量子もつれがネットワークを形成できる場合、このネットワーク上で量子ビットを長距離にわたって伝送できます。将来の分散型量子コンピューティング、分散型量子センシング、量子精密測定などでは、量子ビットを長距離にわたって継続的に伝送するためのネットワークが必要となるため、まずはこのような量子もつれネットワークを実現する必要があります。

重要な量子メモリ

量子もつれネットワークの中核は量子メモリです。量子メモリがなければ、量子もつれネットワークにノードを追加することは指数関数的に困難になります。つまり、隣接する 2 つのノード間で量子もつれが形成される確率は掛け合わされる必要があり、ネットワークの規模が大きくなるにつれて急速にゼロ近くまで減少します。

量子メモリでは、隣接する 2 つのノード間で量子エンタングルメントを形成して保存できます。 3 番目のノードも量子メモリと量子エンタングルメントを形成してエンタングルメント交換を完了し、これを量子メモリが読み取れなくなるまで繰り返します。このような量子もつれネットワークにノードを追加することの難しさは対数的であり、量子メモリの寿命と動作精度が量子もつれネットワークの規模を決定します。

中国の科学者による新たな進歩

量子メモリ自体は非常に挑戦的な技術であり、量子コンピュータよりもさらに困難です。数年の開発を経て、2024年までに数十メートルのマルチノード量子もつれネットワークをサポートできるだけであり、実験室から出ることはできない。

中国科学技術大学の量子ストレージチームは、長期にわたる技術の蓄積と革新的な光子位相制御技術を経て、量子メモリの読み取りレーザービームと書き込みレーザービームの位相差を正確に制御し、量子メモリの動作精度を大幅に向上させ、 10キロメートル以上離れた3つの量子メモリ間の量子もつれネットワークを実現しました。ネットワーク全体の総延長は数十キロメートルに及び、首都圏ネットワークを実現できる条件を備えています。

したがって、この研究は、1960 年代後半にプロトタイプが作られた ARPANET という、古典的なビットを伝送するためのコンピュータ ネットワークのようなものです。量子ビットを伝送するための量子もつれネットワークも、今世紀の2020年代にその原型が誕生しました。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。

著者: 張文卓、Quametic Quantum 創設者

査読者: 北京理工大学教授 Yin Zhangqi

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司