量子テレポーテーション：「物体を空気中に送信する」ことは可能か？

人々はしばしば、SF 映画の中でテレポーテーションを量子テレポーテーションのアナロジーとして使い、量子テレポーテーションが将来人類の生活にもたらす変化を想像します。簡単に言えば、量子テレポーテーションとは、場所 A にある粒子の未知の量子状態が場所 B にある別の粒子に復元され、元の物体の量子状態が測定中に破壊されることを意味します。これは、「量子複製不可定理」に違反しません。この概念は、1993年に世界中の6人の理論物理学者が協力して「古典的および量子もつれチャネルを通じた未知の量子状態の伝送」と題する論文を発表したときに生まれました。これは量子テレポーテーションとしても知られています。以下は、この記事で取り上げられている内容の簡単な紹介です。

粒子 C の未知の量子状態 X をアリスからボブに送信する場合、現在科学者によって行われている量子テレポーテーション実験の原理は、おおよそ次のようになります。

最初のステップは、量子もつれ光子対、粒子 A と粒子 B を作成し、粒子 A と粒子 B をそれぞれアリスとボブに送信することです。

2 番目のステップでは、アリスはベル状態解析と呼ばれる粒子 C と粒子 A の共同測定を実行します。この測定では、ベル状態解析の 4 つの結果に対応して、粒子 A と粒子 C を 4 つの可能な方法でランダムにエンタングルメントできます。

3 番目のステップでは、「遠隔での幽霊のような作用」により、粒子 A が測定されると粒子 B も変化し、ベル状態分析の 4 つの結果に関連する 4 つの状態のうちの 1 つを示します。これら 4 つの状態は、量子状態 X の別の現れとして理解できます。

最後に、アリスは古典的なチャネルを通じてベル状態分析の結果をボブに伝えるだけで、ボブは対応する措置を講じて粒子 B を量子状態 X に変換できます。

このプロセスを簡単な文章でまとめると、ベル状態解析により、エンタングルメントされた粒子内の粒子 C を粒子 A に関連付けることができ、それによって粒子 C の状態が別のエンタングルメントされた粒子 B に瞬時に転送されます。

1997年、中国科学院の院士であり「墨子」チームのリーダーである潘建偉は、オーストリアで学び、ウィーン大学で博士号を取得していました。彼の教師は前述のオーストリアの物理学者ツァイリンガーでした。ツァイリンガーのリーダーシップの下、潘建偉と彼のチームは光子の偏光を利用して初めて量子テレポーテーションを実験的に実現し、光子自体を伝送することなく量子もつれを利用して光子の未知の偏光を別の光子に伝送することに成功しました。実験結果は量子力学の魔法を直感的に実証し、当時大きなセンセーションを巻き起こしました。これらは、レントゲンのX線の発見、アインシュタインの相対性理論の確立、ワトソンとクリックのDNAの二重らせん構造の発見など、世界の主要な科学的成果とともに、ネイチャー誌の「過去100年間の物理学における21の古典的論文」の1つに選ばれました。 Pan Jianwei氏は実験結果論文の第二著者でした。

量子テレポーテーションは量子情報処理ネットワークの基本要素であり、量子通信と量子コンピューティングの発展に不可欠です。そのため、量子情報技術分野の研究のホットスポットでもあります。その後、科学者たちは、冷却原子、イオントラップ、超伝導体、量子ドット、ダイヤモンド色中心などの物理システムでも量子テレポーテーションを実現しましたが、それらはすべて単一粒子の単一自由度に制限されていました。 2006年、潘建偉と彼のチームは、2つの光子の偏光状態伝送を初めて実現しました。 2015年にチームは多自由度量子テレポーテーションを実現し、同時に量子テレポーテーションの伝送距離の拡大を継続しました。 2017年、研究チームは「墨子」量子科学実験衛星を使用して、地球から衛星への1,400kmの量子テレポーテーション実験を実現しました。この一連のブレークスルーにより、スケーラブルな量子コンピューティングと量子ネットワーク技術の開発のための強固な基盤が築かれました。

量子テレポーテーションは、粒子の数、自由度の数、伝送距離の点で、初期の実験と比較して大きな進歩を遂げました。しかし、SF小説に描かれる「物体の空中テレポート」の実現にはまだまだ程遠く、科学者たちはより高い目標に向けて模索を続けています。

--「スター・チャイナ、私たちの量子科学衛星」より抜粋