遠距離恋愛みたいなもの

2000年以上前、墨子は『経朔夏』の中で「光の人は太陽のように暖かい」と書きました。彼は「光は直線に進む」という現象に気づいた。

それから二千年以上経った2016年8月16日、「墨子」にちなんで名付けられた量子科学実験衛星「墨子号」が宇宙に打ち上げられ、これからも「光」を使って人類の情報伝達の未来を記していくことになる。

2016年8月16日、中国は世界初の量子通信衛星「墨子号」を打ち上げた。画像提供：新華社

当初はわずか2年の耐用年数を想定して設計された「墨子」は、現在、軌道上で6年間運用されており、多くの拡大した科学研究タスクの目標を達成しています。

「量子」という言葉を見ると、多くの人が混乱するかもしれません。量子とはいったい何でしょうか?量子科学実験衛星「墨子」はどのような成果をあげたのでしょうか？ 「量子」との関係は？焦らずに、一つずつ秘密を解き明かしていきましょう。

ポイント1

量子とは何ですか?

人生において、「疑問があるときは量子力学に頼りなさい」という言葉をよく耳にするでしょうし、「量子」という名のもとに「量子速読」などの疑似科学を目にすることもよくあるでしょう。では、「量子」とはいったい何なのでしょうか?

この問題を理解するのは実のところ難しくありません。私たちの生活の中のすべての物には、それぞれ最小の単位があります。例えば、「水」の最も基本的な単位は「水分子」です。光についても同様です。レーザーペンから光線を発射し、それを細分化します。最も基本的な単位は「光子」です。物質世界を構成する最も基本的な単位を「量子」と呼びます。 「墨子」が実験に使用した「量子」は「光量子」、つまり「光子」です。

ポイント2

「墨子」はどのような実験を行ったのでしょうか？

この質問に答える前に、まずは誰もが熱中している「オンラインショッピング」についてお話ししましょう。

携帯電話に指紋スキャン機能や顔認識機能が搭載される前は、オンライン注文を行う際には必ず画面に支払いパスワードを入力する必要がありました。ほとんどの人は、自分のパスワードが誰かに傍受されたらどうなるのか、と考えたことがあるかもしれません。実際、支払いパスワードだけでなく、A地点からB地点に送信されるすべての通信情報が途中で傍受され、解読され、情報が漏洩する可能性があります。

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このとき、コードブックを作成し、支払いパスワードなどの情報を最初に送信するときに暗号化し、受信時に同じコードブックを使用して復号化すると考える人もいるかもしれません。こうすれば、情報の暗号化は完了するのではないでしょうか？これは事実ですが、残念ながらコードブックは解読されたり盗まれたりする可能性もあるため、暗号化は役に立たなくなります。

完全に安全な暗号化方法はないのでしょうか?心配しないでください。今日の主人公「墨子」を忘れないでください。

「墨子」誕生の重要な使命の一つは、通信のセキュリティを確保することです。従来のパスワードは十分に安全ではないのでしょうか?それは問題ではありません。私たちは量子技術を使用して、第三者に傍受された場合でも通信する双方に知られる、十分にランダムな「コードブック」を生成します。

量子科学実験衛星である「墨子」は、 1000キロメートル級の量子鍵配布、 1000キロメートル級の衛星対地上双方向量子エンタングルメント配布、 1000キロメートル級の地上対衛星量子テレポーテーションという3つの重要な実験を完了する必要がある。これら 3 つの確立された科学的目標を達成した後、「墨子」はいくつかの重要な拡張実験も実行し、絶えず新たなブレークスルーを達成しました。

これらの「量子」を見ると、また目が回りそうになりますか?緊張しないでください。実際には理解するのは難しくありません。墨子の確立された3つの科学的実験を通じて、それらを説明しましょう。

ポイント3

量子鍵配布は何をするのですか?

それは何に使われますか?

先ほど、真の通信セキュリティを確保するには、「コードブック」を作成するための量子技術が必要であると述べました。 「墨子」の量子鍵配布ミッションは、「墨子」衛星を利用して宇宙から地上に光子を送信し、「コードブック」を生成することである。

では、これらの光子はどのようにして「コードブック」を形成するのでしょうか?この問題を理解するには、まず光子に関する知識を学ぶ必要があります。

偏光: 光子は特定の方向に振動することができ、これを「偏光」と呼びます。光子の偏光は角度によって多くの種類に分けられますが、ここでは ↑ と → (つまり偏光角 0° と 90°)、↗ と ↘ (つまり偏光角 45° と 135°) の 4 つの方向を理解するだけで十分です。

光子の偏光にはいくつかの形式があります。各光子の偏光角は 180° なので、漫画では 135° の光子偏光は「↖」となっていますが、実際は「↘」に相当します。写真はMoziサロンより。

観察：光子を受信すると、「特殊なサングラス」を使用して光子を観察します。サングラスを垂直に置くと、「+」のように見え、↑と→の偏光光子が通過します。傾けると「×」のように見え、↗ と ↘ の偏光光子が通過できるようになります。

ビット: 科学者は、「+」で観察した後、↑偏光の光子はビット「0」を表し、→偏光の光子はビット「1」を表すと規定しています。同様に、「×」で観測すると、↗偏光の光子はビット「0」を表し、↘偏光の光子はビット「1」を表します。

不確実性：しかし、光子は特別です。 ↑と→の偏光を持つ光子でも、傾いた「×」サングラスを通過できます（↗と↘は「+」も通過できます）。例えば、↑偏光の光子を「×」に押し込むと、出てくるときには↗または↘になりますが、正確にはどちらになるのでしょうか?聞かないでください。確率は 50% ですが、正確な数字は不明です。まだ混乱している場合は、次の表を見るとわかりやすくなります。

これらのルールを理解したら、光子を送信して「コードブック」を作成し始めることができます。手順は次のとおりです。

1. まず、送信者は 01001011 のようなビットコードの文字列をランダムに生成します。

2. 観察フォーム（「+」または「×」）をランダムに選択します。

3. ランダムに生成されたビットと観測モードに基づいて偏光光子を準備します。例えば、ランダムに生成されたビットが 0 で観測モードが「+」の場合、↑偏光の光子が用意されます。ランダムに生成されたビットが1で観測モードが「×」の場合、↘偏光の光子が準備されます。

4. 次に光子を受信機に送信します。

5. 受信機は、これらの光子を受信した後、観測形式「+」または「×」をランダムに選択して、受信した光子を観測し、観測結果を取得します。

6. 最後に、送信者と受信者は別の電話をかけてそれぞれの観測方法を伝え、同じ観測方法の結果を保持し、他の観測方法を破棄すると、完全にランダムに生成された安全な初期「コードブック」を取得できます。

これは「偶然性」に満ちた仕事です。

また、受信機が「+」を使用して「↗」を観測すると、光子を観測した後、光子の偏光が変化するという 2 つの結果が得られることがわかります。このように、第三者が途中で光子を傍受した場合、一度「間違った」観測方法が使用されると、光子の偏光は変化します。そのため、受信者と観察者は「答えを確認する」（今回は通信部分の最初の「コードブック」）ことで問題を発見し、今回生成された「コードブック」を破棄することができます。

このようにして得られたコード列「0100」は、両者によって生成された一度限りの量子「コードブック」となります。

上記は「墨子」が実施した量子鍵配送実験で使用された方法の一つです。この方法は BB84 プロトコルと呼ばれ、1984 年に Charles Bennett と Gilles Brassard によって提案されました。この方法は、通信中の盗聴を効果的に検出し、通信を即座にシャットダウンして新しい量子鍵を再配布することができます。

Brassard と Bennett によって提案された BB84 プロトコル。写真はMoziサロンより。

「墨子」は打ち上げから1年後の2017年8月に、世界初となる1000キロメートル級の衛星から地上への量子鍵配送実験に成功した。その後、「墨子」は別の量子鍵配送プロトコルE91に基づいて、中継なしで1000キロメートルレベルの量子セキュア通信も実現しました。これにより、その後の世界規模の量子セキュア通信ネットワークの構築に向けた強固な技術的基盤が築かれました。

ポイント4

量子もつれとは一体何でしょうか?

量子もつれ分布は何をしていますか?

「エンタングルメント」という言葉を聞くと何を思い浮かべますか?二人の間の相互理解？恋人同士には暗黙の了解があるのでしょうか？そうです、2つの量子粒子の間にも「テレパシーによるつながり」が存在します。科学者たちは、量子粒子間のこの「テレパシー」的なつながりを「量子もつれ」と呼んでいます。

2 つの量子もつれ光子。画像はMozi Salonより

量子力学には「重ね合わせ」という不思議な用語があります。つまり、量子の場合、観測されていないときは、2 つの状態の重ね合わせである可能性があります。しかし、重ね合わせ状態の量子が観測されると、量子重ね合わせ状態はいずれかの状態に崩壊します。典型的な例は、「死んでいる」と「生きている」の両方であるシュレーディンガーの猫です。猫は密閉された容器の中に閉じ込められており、「死んでいる」と「生きている」という二つの状態が重ね合わされています。これが猫の「重ね合わせ状態」です。箱を開けると、猫の重ね合わせ状態は崩れ、猫が「死んでいる」のか「生きている」のかが分かります。

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量子もつれとは、2 つの量子の組み合わせによる奇妙な重ね合わせ状態です。それらの間には「神秘的な運命」があり、量子の 1 つが観測されると、他の量子の状態がすぐにわかるようになります。もう一度猫の例を使ってみましょう。私は密閉された箱に閉じ込められた猫を 2 匹飼っています。両者は「生きている」か「死んでいる」かの重ね合わせ状態にあり、互いに「絡み合って」います。つまり、1 つの箱を開けて、重ね合わせ状態にある猫が「死んでいる」状態に崩壊しているのを見た場合、もう 1 つの箱の猫の重ね合わせ状態も崩壊し、「生きている」状態に崩壊するはずです。

この量子もつれは距離によって制限されず、「非局所的」です。たとえ一匹の猫が地球上にいて、もう一匹の猫が宇宙の別の場所にいたとしても、この不思議なつながりは瞬時に発生します。アインシュタインは、空間を越えた量子もつれのこの現象を「不気味な遠隔作用」と呼んだ。彼はそれを心配し、この不思議なつながりを説明するために「局所隠れ変数理論」を提唱しました。

誰が正しくて誰が間違っているかを検証するために、物理学者ベルは不等式と実験方法を提案しました。実験結果が不等式に一致する場合、それはアインシュタインの「局所性」理論を支持することになります。実験結果が不等式に違反する場合、それはアインシュタインの「局所性」理論を反証することになります。

残念ながら、実験結果はアインシュタインの主張を支持するものではありませんでした。量子力学におけるこの「遠隔での幽霊のような作用」は現実のものであり、量子もつれはまさに「非局所的」です。実験は真実をテストするための唯一の基準です。たとえアインシュタインが異議を唱えたとしても、真実は厳密な実験結果から生まれます。

実験結果は、今回はアインシュタインが間違っていたことを示した。画像はMozi Salonより

今日に至るまで、多くの科学者がベルが提唱した量子もつれの実験を続けています。これは、もつれた 2 つの量子粒子を十分に離れた場所に置き、それらを観測して、観測結果がベルの不等式に一致するかどうかを確認するというものです。同様に、我が国は雲南省麗江と青海省デリンハの2つの地上局間で量子もつれ実験を実施しました。これは1,200キロ離れた世界で最も遠い量子もつれ実験です。

「Mozi」の機能は、一対のもつれ合った量子粒子を宇宙にあるこれら2つの地上局に送信することです。この実験の成功により、我が国の将来の量子もつれに基づく量子セキュア通信の基礎が築かれました。 2020年、墨子号は1000キロメートルレベルの量子もつれベースの量子セキュア通信を実現した。

ベルの不等式は、墨子衛星を介して量子もつれを配信することで検証されます。写真はMoziサロンより。

キーポイント5

量子テレポーテーションとは何ですか?

物質を長距離輸送することは可能ですか?

この質問に答える前に、遠距離恋愛に関する短い物語を見てみましょう。

A と B というカップルがいます。B の方が仲が悪いのですが、彼らはまだ遠距離恋愛中で、お互いに「もつれ」合っています。同時に、彼らには共通の友人である C と D が 2 人いて、それぞれ別の場所から A と B を観察しています。

ある日、AはXに会いました。XはBほど凶暴ではありませんでしたが、とても友好的でした。そこでAはBと別れ、Xと新たな関係を始めました。

この時、友人Cがこの出来事を目撃し、写真を撮って友人Dに伝えた。写真を見たDはBに友情教育を施した。教育を受けた後、Bは正気に戻り、悪を捨てて善を行い、それ以来、Xのような優しい人になりました。

この例では、A と B を 2 つのもつれた量子粒子、C と D をそれぞれ A と B の場所にいる科学者、X を未知の量子状態と見なすことができます。科学者たちは、この未知の量子状態を「量子テレポーテーション」を通じて B に送信することを望んでいます。

送信プロセス全体を通じて、量子 X 自体は送信されませんでしたが、X の状態が B に送信されました。遠距離恋愛の例と同様に、X の優しい状態が B に送信され、B の状態が「悪意のある」状態から「友好的な」状態に変更されました。

これが「量子テレポーテーション」です。ただし、「量子テレポーテーション」の際には、A と B の間のエンタングルメントが消え、A と X の間に新しいエンタングルメントがほぼ同時に生成されることに注意する必要があります。

「量子テレポーテーション」では、量子Xの状態のみが伝達され、粒子自体は伝達されないことがわかります。これは、SF作品における物質の遠隔伝送とは大きく異なります。現時点では、量子技術を使用して物体を A 地点から B 地点に輸送することは非現実的です。

キーポイント6

「墨子」は私たちに何をもたらしてくれるのでしょうか？

ここまでお読みいただいた方は、量子科学実験衛星「墨子」が実施した3つの主要な科学実験について、基本的にご理解いただけたと思います。しかし、この時点であなたはこう尋ねるかもしれません。「これら 3 つの実験は私にどのような影響を与えるのでしょうか?」

あらゆる新しい理論の発見とあらゆる新しい技術の実現は、根本的には人類が未知の世界へと前進するための新たな一歩を意味します。 「墨子」は我が国の最先端の量子通信技術の結晶であり、国際的にもトップレベルにあります。量子通信技術は民生・商業の分野でも登場し始めています。将来的には、より成熟した量子通信技術が、通信、金融、国防など多くの分野で広く利用されるようになるでしょう。

著者：中国科学普及×墨子サロン

この記事は、中国科学普及会と墨子サロンが共同で制作したものです。

この記事のタイトル画像は Science から引用したものです。

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