量子テレポーテーションにおける新たな進歩は、ますます頻繁に生まれています。今日、ヨーロッパの物理学者チームが、これまで以上に高い目標を設定しました。カナリア諸島の荒れた海洋大気を抜け、約90マイル（約145キロメートル）の距離をテレポーテーションしたという公式報告を受け、物理学者たちは、これまでで最大の挑戦、つまり粒子を宇宙へテレポートさせる試みに挑む準備が整ったと言えるでしょう。しかし、なぜでしょうか？
量子テレポーテーションは、空が青いように複雑ではあるものの、情報伝達の有用かつ安全な手段となる可能性がある。残念ながら、人間には使えない。これはスタートレックの世界での話ではない。しかし、2012年には、ハッキング不可能で完全に暗号化された形でのデータのテレポーテーションが、かつてないほど現実味を帯びているかもしれない。
木曜日、 Nature誌は量子の魔術師アントン・ツァイリンガーとウィーンの量子光学・量子情報研究所の同僚によるオンライン論文の速報版を掲載した。研究チームは、カナリア諸島のラ・パルマ島とテネリフェ島の間で光子を89マイル（約145キロメートル）テレポートすることに成功した。そして先月、同誌は中国チームによる最新のテレポーテーション記録も発表した。これは、彼らが以前に達成した光子の60マイル（約97キロメートル）テレポートの記録を完全に塗り替えるものだ。両チームは5月にこれらの成果を数日違いで初めて発表した。
しかし、この記録破りの記録は、ここで実際に起こっていることの複雑さを覆い隠しています。結局のところ、粒子は技術的に言えば、そこまでの距離を飛んではいないのです。
一部の光子は物理的に2地点間の距離を移動したが、それは物理学者が「エンタングルド・リソース」と呼ぶものを構築するための準備ツールとしてのみ使われたと、フランス、パレゾーにある光学研究所のフィリップ・グランジェ氏は説明する。その後、テレポートされる実際の光子に関する情報、特に偏光やその他の特性が移動された。テレポートされた粒子は、ある場所に存在し、その後別の場所に移動する。
これが可能なのは、テレポーテーション実験における光子が、切っても切れないほどの強い結合を共有しているためです。この結合は非常に強いため、たとえどれだけ離れていても、一方の粒子に何が起こっても、もう一方の粒子にも起こります。これはアインシュタインが「遠隔作用の奇妙な作用」と呼んだものです。光子を量子もつれさせること自体が難題であり、これについては後ほど詳しく説明します。グランジェ氏によると、光子をテレポーテーションさせるには、一方の粒子の遠隔コピーを作成する必要があるとのことです。ファックスのようなものですが、オリジナルは破棄され、コピーは受信された瞬間に破棄されます。何らかの方法で情報を中継する必要があり、量子もつれがこれを可能にするのです。
選択するエンタングルメントの方法は、テレポートしたい粒子の種類によって異なります。例えば、荷電原子をテレポートしたい場合は、エンタングルメントされたイオンを使用します。光子の場合は、偏光した光子をエンタングルメントします。あるいは、昨年Noriyuki Lee氏らが実現した光の量子化状態かもしれません。後者は非常に複雑なシナリオで、2つの量子状態を同時に持つ小さな光子の束をテレポートします。（これは量子重ね合わせと呼ばれ、シュレーディンガーの猫の例で最もよく説明されます。理論上の箱に入れられると、箱を開けて確認するまでは、死んでいると同時に生きている状態ですが、開けて確認すると、どちらか一方だけになります。）対象が何であれ、まずいくつかの粒子をエンタングルメントして、何が起こっても同じ結果を共有するように、それらの運命を絡ませる必要があります。
このエンタングルメントは様々な方法で発生し、新たな研究が進むにつれて、より詳細かつ複雑になっています。しかし、より重要なのは、エンタングルメントされた光子が干渉されてはならないということです。干渉されると、テレポーテーション開始前にエンタングルメントが途切れてしまうからです。テレポーテーションが数十マイル、数百マイルにも及ぶ場合、これは非常に困難です。雨、雲、砂、さらには風さえも光の伝達を妨げる可能性があるからです。
「実際の遠距離環境では、
今回のテレポーテーション実験には課題がいくつかありました。これらの課題の最も重要な点は、標準的な技術を用いる際に極めて低い信号対雑音比に対処する必要があることでした」と、ツァイリンガー氏らは記しています。
「普通の物体にとって、エンタングルされた資源の複雑さは信じられないほど大きくなり、制御不能になり、瞬時に破壊されてしまいます。」カナリア諸島での実験では、ツァイリンガー氏らはラ・パルマ島とテネリフェ島を横断する2つの光リンク（1つは古典光リンク、もう1つは量子光リンク）を使用しました。彼らは、情報伝送実験では通常「アリス」と「ボブ」というアルファベット順で呼ばれる2つの地点間で、光子の偏光をテレポートさせようとしました。
古典リンクは、2つの光子をアリスとボブにそれぞれ1つずつ送信することで、エンタングルされたリソースを生成します。簡単に言うと、光子はサファイアレーザーで生成され、光ファイバーケーブルを通ってAとBに送られます。量子リンクは、アリスとボブがこれらの光子の偏光情報を共有できるようにします。これらの光子は光子2と光子3と呼ばれます（光子1については後ほど説明します）。アリスは光子2を、ボブは光子3を持ちます。これが「エンタングルされたリソース」です。次に、第三者である「チャーリー」が光子1を挿入します。この新しい光子の偏光は、アリスにもボブにも未知です。次に、アリスはベル状態測定と呼ばれる測定を行う必要があり、その結果によってすべての光子の運命が決まります。
「測定結果は元のシステムを破壊します。この測定から得られるのは一つの結果、つまり数値的な結果です」とグランジェ氏は述べた。「そして、この結果を別の場所に送り、新しいシステムを再構築するのです。」
アリスの光子1の測定値は、ボブの光子がどのように変換されるかを決定します。アリスは、古典的な光子中継チャネルを用いて、測定値をボブに送信します。ボブは情報を受け取ると、アリスの光子1の測定値によって指示された光子変換を実行できます。すると、ボブは光子3を手に入れますが、それは新たに入力された光子1と同じ状態になります。つまり、完全なコピーです。
この測定情報の転送はアクティブ・フィードフォワードと呼ばれ、リーらが昨年行った光パケット・シュレーディンガーの猫実験でも用いられた手法です。グランジェ氏によると、この規模で行われたのは初めてとのことです。カナリア諸島チームはまた、アリスとボブの両方の地点の時計を同期させることで新たなブレークスルーを達成し、測定精度を向上させました。
「独創的なのは、超長距離フィードフォワードと高品質のトランスミッションなど、すべての組み合わせです」とグランジェ氏は語った。
こうした量子の混乱の目的は一体何なのか？グランジェ氏は、安全な通信のためだと説明する。適切な変換測定が行われた場合のみ受信可能な、特定の測定可能な状態に光子をテレポートさせる。これは優れたセキュリティだ。海を越えてこれを高い忠実度で実行できることを証明するのもまた、かなりの偉業だ。この研究は、地上から衛星への量子中継、つまり暗号化されたデータの転送に将来的な可能性を秘めていると、ツァイリンガー氏らは述べている。
ここで達成された距離は、地球と衛星を結ぶのに必要な距離よりも実際には困難だと研究チームは述べている。「私たちの実験は、宇宙と地上間の量子通信を必要とする将来の宇宙量子ネットワークに向けた重要な一歩です」と彼らは記している。「両方の実験で実装された技術は、衛星通信と長距離地上通信の両方に必要な成熟度に確実に達しています。」
唯一の難点は、これが非常に厳密に制御された量子システム内でしか機能しないことです。例えば、量子テレポーテーションは量子コンピュータ内の内部「配線」要素として機能する可能性がありますが、物理的な物体には機能しません。
人間をビームアップするには、適切な（しかし容易には想像できない）エンタングルされた資源、つまり第二の「人間」を作り出す必要がある。そして、テレポートした生物の本来の姿を破壊しなければならないとグランジェ氏は述べた。
「光子やイオンをテレポートすることは十分可能です。おそらく、非常に厳密に制御された量子コンピュータ内であれば、それらを多数テレポートできるでしょう。しかし、それ以上に、その資源の複雑さとデコヒーレンスに対する脆弱性を考えると、完全に不可能です」と彼は述べた。
「通常のマクロな物体の場合、エンタングルされたリソースの複雑さは信じられないほど大きくなり、管理不能になり、デコヒーレンスによって瞬時に破壊されます。」
