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科学者らが量子データのテレポート距離記録を破る

科学者らが量子データのテレポート距離記録を破る

アメリカ国立標準技術研究所(NIST)の研究者らは、光粒子で運ばれた量子情報を光ファイバーで100キロメートル(km)以上「テレポート」、つまり転送することに成功した。これはこれまでの記録の4倍にあたる。

この実験により、光ファイバーを用いた長距離量子通信が実現可能であることが確認されました。他の研究グループも自由空間においてより長距離の量子情報をテレポートしてきましたが、従来の光ファイバー回線で実現できることで、ネットワーク設計の柔軟性が向上します。

スタートレックの架空の「ビームアップ」と混同しないでください。量子テレポーテーションとは、物質または光の量子状態に符号化された情報の転送、あるいは遠隔再構成を伴います。テレポーテーションは量子通信と量子コンピューティングの両方に有用であり、それぞれ解読不可能な暗号化と高度な暗号解読といった新たな可能性を秘めています。量子テレポーテーションの基本的な手法は20年以上前に初めて提案され、多くの研究グループによって実証されてきました。その中には、2004年にNISTが原子を用いて行った研究グループも含まれています。

Optica で説明されているこの新記録は、コロラド州の NIST 研究所で、1 つの光子 (シーケンス内の特定の時間スロット) に含まれる量子情報を、102 km の巻き光ファイバーを介して伝送した別の光子への転送を伴うものでした。

この図は、米国国立標準技術研究所(NIST)の研究者が、光粒子で運ばれた量子情報を光ファイバーで100キロメートル(km)以上「テレポート」または転送した様子を説明しています。これはこれまでの記録の4倍にあたります。

筆頭著者の武末弘樹氏は、NTT株式会社からNISTに客員研究員として来日した。この成果は、NISTで設計・製造された先進的な単一光子検出器によって実現された。

「100kmの光ファイバーを通り抜けられる光子はわずか1%程度です」とNISTのマーティ・スティーブンス氏は声明で述べた。「この非常に微弱な信号を測定できる新しい検出器がなければ、この実験は決して実現できませんでした。」

これまで、光ファイバーでは量子データが大量に失われ、伝送速度と伝送距離が低下していました。NTTとNISTが共同で開発したこの新しいテレポーテーション技術は、量子中継器と呼ばれるデバイスの開発に活用できる可能性があります。このデバイスは定期的にデータを再送信することでネットワークの到達範囲を拡大し、最終的には「量子インターネット」の構築に十分な規模となる可能性があります。これまで研究者たちは、量子中継器は光ではなく原子などの物質に頼る必要があると考えていましたが、これは技術的に困難な課題であり、伝送速度の低下も招きます。

様々な量子状態を用いて情報を伝達することができます。NTT/NISTの実験では、単一の光子が一連のタイムスロットのどの時点に到達するかを示す量子状態が用いられました。このテレポーテーション手法は、NISTの光子検出器4台を特定の量子状態をフィルタリングするように配置するという点で斬新です。これらの検出器は、モリブデンシリサイド製の超伝導ナノワイヤを用いています。これらのナノワイヤは、到達する光子の80%以上を記録し、それらがわずか1ナノ秒の長さの同じタイムスロットに存在するか、異なるタイムスロットに存在するかを明らかにすることができます。実験は、通信で一般的に使用される波長で行われました。

実験では量子状態の組み合わせを限定的にフィルタリングして焦点を絞ったため、テレポーテーションは送信の成功率がせいぜい25%にとどまりました。高効率検出器のおかげで、研究者たちは平均して最大成功率の83%で目的の量子状態へのテレポーテーションに成功しました。異なる初期特性を持つ全ての実験において、テレポーテーション過程の量子性を証明するための数学的に重要な閾値である66.7%を超えました。

出典:米国商務省の機関である国立標準技術研究所(NIST)

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