科学者が量子もつれのデモを披露、量子インターネットは手の届くところへ

オランダの研究者らは、いわゆる量子インターネットを実現するために必要な機能である中間ノードを介して量子情報を伝送できることを示した。

近年、科学者たちは、量子インターネットは複数の量子システムを接続する上で不可欠であるだけでなく、安全なデータ転送にもより望ましいネットワークであると主張しています。こうした取り組みは、米国政府をはじめとする多くの政府からの投資を惹きつけています。

こうした期待にもかかわらず、機能的な量子インターネットの構築にはまだ重要な要素が欠けている。

量子情報（状態の重ね合わせ）を2つのネットワークノード間で転送することは、量子もつれのプロセスによって可能になります。量子もつれとは、科学者が2つ以上の粒子を生成し、各粒子の量子状態が他の粒子の状態から独立して記述できない状態を指します。このようにして、研究者たちは2つのノード間で量子情報を「テレポート」できることを実証しました。

デルフト工科大学とオランダ応用科学研究機構によって2014年に設立された量子コンピューティング研究機関Qutechの研究者たちは、動作するコンピュータネットワークに必要な条件である中間ノードを介してこの効果を作り出すことができることを実証した。

解読が難しいこの分野の学習補助として、博士課程の学生ソフィー・ハーマンズと彼女の同僚は、ネットワークノードに、情報セキュリティの専門家に馴染みのある「アリス」「ボブ」「チャーリー」というニックネームを付けました。アリスとチャーリーの間には直接的なつながりはありません。

研究者らのデモでは、まず隣接するノード、アリスとボブの間に量子もつれ状態を生成します。2つ目のノード、つまりプロセッサは、その量子もつれ状態を保存します。次に、ボブはチャーリーとの間に量子もつれ状態を生成します。量子科学者たちは、この分野で知られている特殊な効果を利用しました。ボブの状態を測定することで、量子もつれ状態に影響を与え、アリスとチャーリーの間に直接的な接続を作り出します。

今週ネイチャー誌に掲載された論文によると、研究チームはその後「メッセージ」情報を追加の量子ビットにエンコードし、チャーリーの量子もつれ状態とともに測定すると、情報がアリスにテレポートするという。

これは量子ネットワークで重要になる可能性のある実用的な概念の重要なデモですが、量子コンピューティング分野の多くのものと同様に、実際の応用にはまだ時間がかかります。

付随記事の中で、メリーランド州にある国立標準技術研究所の情報技術研究所の物理学博士オリバー・スラタリー氏と、韓国科学技術研究院の量子情報センターの上級研究員ヨン・キム氏は、量子ネットワーク上での情報の常時テレポーテーションが実現するのはまだ先のことだと述べた。

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ハーマンズらは、直接接続されていない2つのノード、アリスとチャーリーの間で量子情報をテレポートすることに成功しました。この成果は基礎科学における勝利であるだけでなく、この魅力的な量子応用を次の段階に進めるために必要な現実世界の問題解決における進歩も表しています。

「量子ネットワークにおける信頼性の高いテレポーテーションの実現にはまだまだ時間がかかり、今回の研究は量子インターネットの真の実現に向けて大きな課題が待ち受けていることを明らかにしている。しかし、ハーマンズ氏らは、その前進への道筋を示している。エンタングルメントの保存に使用されるメモリの堅牢性を高めることで、エンタングルメント率はさらに高まり、光インターフェースの改良によって遠隔ノードのエンタングルメント効率も向上するだろう」と研究者らは述べている。

それでも、量子データをネットワーク上で安全に移動するという約束は非常に大きな力を持っているため、米国政府はその約束から取り残されないよう決意している。

2020年、米国エネルギー省は国家量子インターネットを開発するための「青写真戦略」を打ち出した。

エネルギー長官ダン・ブルイエット氏は「この新たな技術を構築することで、米国は量子能力を維持し拡大するという約束を継続する」と述べた。

当時の米国政府の声明では、量子インターネットは「安全な通信ネットワークとなり、科学、産業、国家安全保障にとって極めて重要な分野に大きな影響を与える可能性がある」と述べられていた。®