2 つのチームが、量子テレポーテーションの新しい距離記録を設定しました。量子力学の奇妙さを使用して、ある量子粒子の状態または「状態」を別の場所にある別の粒子に即座に転送します。 1 つのグループは、光ファイバーを使用して、光の量子粒子または光子の状態を 6.2 キロメートルにわたってカナダのカルガリー全体に送信するトリックを使用し、もう 1 つのグループは、中国の上海全体に 14.7 キロメートルにわたって光子の状態をテレポートしました。
Nature Photonics で本日報告された両方の進歩は、最終的にハッキング不可能な量子インターネットにつながる可能性があります。しかし、量子テレポーテーションは他に何の役に立つのでしょうか?そして、それを使って、1 月の極寒の朝、痛みを感じずに仕事ができるようになるでしょうか?
いつテレポーテーションで移動できるようになりますか?
がっかりさせて申し訳ありませんが、答えは決してありません。その名前にもかかわらず、量子テレポーテーションは、テレビ番組 スタートレック で描かれている種類のテレポーテーションとは何の関係もありません。 および他のサイエンスフィクションの物語。このようなテレポーテーションには、通常、物質オブジェクトを分解し、何らかの方法で内容物を空間に送信し、離れた場所でオブジェクトを即座かつ完全に再構築する必要があります。量子テレポーテーションでは、分解されたり再構築されたりするものはなく、物質はどこにも移動しません。さらに、このプロセスは個々の量子粒子 (光子、電子、原子など) のレベルでのみ機能します。長いものと短いもの、量子テレポーテーションと「実際の」テレポーテーションには、名前以外に共通点はありません。
しかし、量子テレポーテーションが物を動かさないとしたら、それは何をするのでしょうか?
チームを惑星の表面に派遣するのと比較して、量子テレポーテーションは、野心的ではなく、はるかに巧妙なことを行うことを目的としています。量子テレポーテーションは、粒子自体を送信することなく、ある量子粒子の状態または「状態」を別の離れた粒子に即座に転送します。これは、ある時計の読み取り値を別の時計に転送するようなものです。
1 つの時計を読み、1 秒を同じように設定することの何がそんなに印象的ですか?
光子のような粒子の量子状態は、時計の読みよりもはるかに複雑で繊細です。単純に時計を読み取り、もう一方の時計を同じ時刻に設定することはできますが、通常、量子粒子の状態を変更せずに測定することはできません。また、ある量子粒子の状態を別の量子粒子に単純に「複製」することはできません。量子力学のルールはそれを許しません。代わりに、実際にその状態を測定することなく、ある量子粒子の状態を別の量子粒子に転送する方法を見つける必要があります。時計の例えを続けると、あたかも最初の時計を見ずに、ある時計の設定を別の時計に転送しているようなものです.
それはどのように機能するのでしょうか?
少し複雑です。それを感じるには、量子状態についてある程度知っておく必要があります。単一の光子を考えてみましょう。光子は電磁波の基本ビットであるため、電場が垂直または水平を指すように「偏光」することができます。量子力学の奇妙さのおかげで、光子は同時に両方の状態になることができます。つまり、光子は文字通り同時に垂直方向と水平方向の両方に偏光することができます。垂直方向と水平方向の量は、光子の状態を定義するのに役立ちます。
しかし、それはさらに複雑になります。垂直方向と水平方向の混合に加えて、光子の状態は、「位相」と呼ばれる一種の角度である 2 番目のパラメーターによって定義されます。したがって、光子の実際の状態は、垂直方向と水平方向の混合と位相の両方で構成されます。北極は純粋な垂直状態を表し、南極は水平後期状態を表します。
光子の正確な状態は地球上の点であり、緯度は状態の垂直と水平のバランスを示し、経度は位相を示します。したがって、たとえば、赤道上のすべての点は、光子が垂直と水平の等しい混合状態にある状態を表しますが、特定のより複雑な測定で調べることができる位相は異なります.
では、地球から離れた地点を読めないのはなぜですか?
量子粒子の測定では限られた情報しか得られないため、できません。未知の状態にある光子が与えられた場合、地球上の状態の「座標」が何であるかを尋ねることはできません。代わりに、どちらかまたは両方の測定を実行する必要があります。最も単純なのは、光子は垂直または水平に偏光されているかということです。その測定値は、州内の垂直方向と水平方向の正確な混合に依存する確率で、いずれかの結果を示します。しかし、それは位相を教えてくれません。そして、それは元の状態を「崩壊」させるので、光子は、純粋に垂直または水平のいずれかの状態で、どちらか一方の極を指したままになります。この元の状態の乱れは、量子論では避けられません。
しかし、光子の正確な状態を測定できない場合、どのように転送しますか?
より多くの光子と、別の奇妙な量子力学が必要です。 2 つの光子は、「エンタングルメント」と呼ばれる微妙な接続を介してリンクできます。 2 つの光子が絡み合っている場合、各光子の状態は完全に不確かですが、2 つの状態は相関しています。したがって、私たちの抽象的な地球上では、各光子の位置は完全に未定のままです。つまり、文字通りすべての方向を同時に指しています。しかし、その不確実性にもかかわらず、2 つの光子の状態を関連付けることができるため、たとえば同一であることが保証されます。つまり、地球上の北緯 40 度、西経 80 度の方向に 1 つの光子が崩壊するという凝った測定を行った場合、2 番目の光子は、それがどれだけ離れていても、即座に同じ状態に崩壊することがわかります。このようなペアは、量子テレポーテーションにとって重要です。
仕組みは次のとおりです。 Alice と Bob の 2 人がいて、3 人目の Charlie が真ん中にいるとします。アリスは、テレポートしたいフォトンを準備します。つまり、抽象的な地球上にその位置を設定します。彼女はそれを光ファイバーでチャーリーに送ります。同時に、チャーリーはもつれた光子のペアを準備します。彼は 1 つを保持し、2 つ目をボブに送信します。
さて、ここがトリッキーな部分です。チャーリーがアリスの光子を受け取ると、彼はそれと彼が保持していたものを取り、それらの両方で特定のタイプの「共同」測定を行うことができます.量子測定では光子の状態が崩壊するため、チャーリーの測定では実際にこれら 2 つの光子が絡み合った状態になります。 (チャーリーの測定は、実際にはどちらかまたは両方の質問をします:光子は特定のもつれ状態にあるのか、それとも相補的な状態にあるのか?)
しかし、チャーリーが持っている 2 つの光子 (アリスから取得したものと元のもつれペアから保持したもの) のもつれ測定を行うとすぐに、驚くべきことが起こります。彼がボブに送った光子は、即座にアリスの元の光子の状態に崩壊します。つまり、ボブがチャーリーから何キロも離れていても、アリスの光子の地球設定は、ボブの設定にテレポートされています。この 2 つの実験のように。
しかし、なぜそれが起こるのですか?
実験は、もつれに固有の相関関係に大きく依存します。さらに、アリスの光子の状態がボブの状態に転送される理由を確認するには、数学に戻って作業する必要があります。表記に慣れれば、高校代数をとった人なら誰でも計算できるようになります。 それ 代数が得意とすることの 1 つです。
これは物理学者が実際に行ったことですか?
近い。唯一の違いは、異なる偏光ではなく、光子の基本状態に 2 つのわずかに異なる到着時間を使用したことです。実験の難しい部分は、ボブに送信された 2 つの光子がほぼ同時に到着し、色と偏光が同一であることを保証することでした。それらが区別可能である場合、実験は機能しません。これらは、このような長距離のテレポーテーションに対する技術的な課題でした.
では、これは何に役立つのでしょうか?
抽象的ではありますが、量子テレポーテーションを使用して量子インターネットを作成できます。これは今日のインターネットに似ていますが、ユーザーは、本質的に 0 と 1 の文字列である従来の情報ではなく、量子状態とそこに含まれる情報を転送できます。
現在、物理学者とエンジニアは、安全なメッセージを光ファイバーで送信できる部分的な量子ネットワークを構築しています。これらの技術は、単一光子を使用して、コード化されたメッセージをロックおよびロック解除するための数値キーを配布することによって機能します。彼らは、盗聴者がこれらの光子を妨害して自分の存在を明らかにせずには測定できないという事実を利用しています。しかし現時点では、ネットワーク内のすべてのノードでメッセージをデコードおよびエンコードする必要があるため、これらのネットワークは完全に量子力学的ではなく、ノードがハッキングされやすくなっています。
物理学者とエンジニアは、量子テレポーテーションを使用して、ネットワーク上の離れたノード間にエンタングルメント接続を確立できる可能性があります。原則として、これにより、これらのノードのユーザーは、中間ノードでデコードできず、本質的にハッキングできないエンコードされたメッセージを渡すことができます。そして、物理学者が汎用量子コンピューターの構築に成功した場合 (0、1、または 0 と 1 の両方に設定できる「キュービット」を使用して、従来のコンピューターを圧倒する特定の計算を行う)、そのような量子ネットワークはユーザーがリモート端末からコンピュータの初期設定をロードできるようにします。
それはいつ起こるのですか?
知るか？しかし、量子インターネットは、汎用の量子コンピューターよりもずっと早く登場する可能性が高いようです.
へえ。涼しい！しかし、冬の間、仕事をするためのビーミングはありませんか?
申し訳ありませんが、まだ束ねて寒さに直面する必要があります。