量子テレポートで光が270m瞬間移動! 30年の夢ついに実現へ

シルミー

はかせ、テレポートって本当にできるようになったの?

はかせ

さすが、よく見つけてきましたね。実は光のテレポーテーションが、ついに別々の装置の間で世界で初めて成功したんです

ローマ市内の2つの建物を結ぶ270メートルの光の道を使った実験で、片方の装置から出た光子の状態を、もう片方の装置の別の光子に瞬間移動させることに成功した。10年がかりの国際共同プロジェクトが、ついに実を結んだ瞬間だ。

量子テレポーテーション、30年の歴史

1993年: 「不可能」を覆した6人の理論物理学者

「テレポーテーション」と聞くと、SF映画の転送装置が頭に浮かぶかもしれない。しかし物理学者がこの30年あまり追いかけてきたのは、人間ではなく光や電子の「状態」を別の場所に再現する技術である。

最初に理論を組み立てたのは、IBMの研究者チャールズ・ベネットを中心とする6人のチームだ。1993年、彼らは「未知の量子状態を別の粒子に転送できる」とする論文を発表した。それまで「量子の状態はコピーできない」(量子複製不可能定理、1982年に証明)とされていた壁を、別の手段でくぐり抜けるアイデアだった。

カラクリを支える主役が「量子もつれ」と呼ばれる現象だ。2つの粒子を特殊な手順で作ると、見えない糸でつながったような状態になる。片方を観測した瞬間、どんなに離れていても、もう片方の状態が同時に決まる。アインシュタインが「不気味な遠隔作用」と呼んで嫌い、生涯反対し続けた性質である。

もつれが「離れた場所同士をつなぐ橋」になり、もう一つの古典的な通信(普通の電話やネットでもいい)が「合言葉」を伝える。この2つを組み合わせれば、コピー禁止のはずの量子状態でも別の粒子に再現できる。これがベネットらが導いた答えだった。

1997年: 1メートルの世界初テレポーテーション

理論から4年後、オーストリア・インスブルック大学のアントン・ツァイリンガーのチームが、量子テレポーテーションを世界で初めて実験室で実現した。距離はわずか1メートル足らず。それでも、量子情報を別の光子に「乗り移らせる」ことができると示した、歴史を変えた実験になった。

同じ年、イタリア・ローマ大学のフランチェスコ・デ・マルティーニのチームも独立に類似の実験を成功させ、論文を発表している。「テレポート」はこの2つの欧州都市から同時に動き始めたわけだ。ツァイリンガーは関連する量子もつれの研究で2022年にノーベル物理学賞を受賞している。

2017年: 衛星「墨子」が宇宙と地上をつないだ

距離はそこから一気に伸びる。中国・科学技術大学のチームが2017年、量子通信専用の衛星「墨子(Micius)」を打ち上げ、地上と上空500キロメートルの軌道の間で光子の状態を転送することに成功した。

陸上の光ファイバーでは光子が途中で吸収されてしまい、量子通信は数百キロが限界とされる。宇宙経由なら大陸間でも届けられる可能性が示された格好だ。中国はその後、北京と上海を結ぶ2,000キロ級の量子鍵配送網も整備した。とはいえ、これらの実験はいずれも「同じ1つの光源」から取り出した光子を使う方式だった。離れた装置同士をつなぐには、別々の光源から出た光子でテレポートできる必要がある。これが残った最後の難関だった。

2026年、ついに「別々の装置」間でテレポート成功

ローマの屋上と屋上を結んだ270メートルの実験

そして2026年4月末に発表されたのが、ドイツ・パーダーボルン大学とイタリア・ローマ・サピエンツァ大学を中心とする国際共同チームの実験だ。論文はNature Communicationsに掲載された。

実験の舞台はローマ市内。サピエンツァ大学のキャンパスにある2つの建物の屋上と屋上の間に、270メートルの自由空間光リンクを張った。片方の建物に置いた量子ドットから出た光子の偏光状態を、もう片方の建物の量子ドットが出した別の光子に転送する仕組みだ。

ここまで来ると「単に光を飛ばしているだけ」では済まない。途中の空気の揺らぎ、いわば陽炎のような乱れが光子の経路をぐらつかせる。チームはGPSによるナノ秒単位の時刻同期、超高速の単一光子検出器、大気の乱れをリアルタイムに補正する装置を総動員し、屋外環境でも光子1個の到達タイミングを精密に揃えた。

「量子ドット」とは何か

今回の主役は量子ドットと呼ばれる、数十ナノメートルの極小半導体結晶だ。1ナノメートルは1メートルの10億分の1なので、髪の毛の太さの数千分の1ほどしかない。

この粒は電子を狭い空間に閉じ込めることで、決まった性質の光子を「ボタンを押せば1個ずつ」発射できる、いわば光子の自動販売機のような存在だ。最近のテレビの量子ドットディスプレイでもおなじみの素材だが、量子通信の世界では「狙った1個の光子」を確実に作れる理想の光源として、10年以上前から本命視されてきた。

これまでの量子テレポーテーション実験は、同じ1個の量子ドットや非線形結晶から取り出した光子を組み合わせる方式が主流だった。今回はオーストリア・ヨハネス・ケプラー大学リンツで精密に作られた量子ドットを離れた装置に置き、まったく別の発生源から出た光子同士でも、もつれを介した状態転送が成立することを実証した。

10年越しのプロジェクトが実を結ぶ

パーダーボルン大学のクラウス・ヨンス教授とサピエンツァ大学のリナルド・トロッタ教授は、約10年前に「量子ドットを使って通信網を作る」という長期計画を立てた。光子を閉じ込める共振器のナノ加工はドイツ・ヴュルツブルク大学が担当し、ヨーロッパ各地の研究機関が分業して実験を進めてきた。

成果の指標となるのが状態忠実度82±1%という数値だ。古典物理だけで説明できる範囲(古典限界)を、なんと10標準偏差以上も上回っている。これは偶然や測定誤差では到底説明できないレベルで、コインを連続で表だけ出し続けるよりも低い確率まで「まぐれ」を排除しているということだ。

もう一つの肝が、量子ドット同士の「ばらつき」を抑えることだった。出てくる光子の波長や形がわずかでも違うと、もつれを介した転送がうまくいかなくなる。チームは結晶を作る段階で原子レベルの均一性を追い込み、別々の装置でほぼそっくりの光子を出せるところまで持っていった。

「量子インターネット」が見えてきた

盗聴を物理的に防ぐ仕組み

量子テレポーテーションが目指すのは、SF的な「人間の瞬間移動」ではない。最大の応用先は、絶対に盗聴できない暗号通信である。

従来のインターネットは、敵が回線に「分岐器」をこっそり仕掛けて信号をひそかに受け取ることが原理的にできてしまう。量子の世界では「観測した瞬間に状態が壊れる」という性質があるため、盗聴を試みれば必ず痕跡が残る。送る側と受け取る側で確認すれば、誰かが覗いたかどうかがすぐに分かる仕組みだ。

量子テレポーテーションを応用すれば、暗号鍵そのものを通信路に流さずに、離れた場所で「同じ鍵」を共有できる。仮に途中の通信を全部録画されても、鍵としての情報は物理的に存在せず、解読のしようがない。実際、東京で東芝が運営する量子鍵配送ネットワークや、北京・上海間の幹線では、限定的な量子暗号通信がすでに現実に動き始めている。

次のステップは「もつれの交換」

研究チームが次に狙うのが、「もつれの交換」(entanglement swapping)と呼ばれる技術である。2組のもつれた光子を中継点でつなぎ替え、もとは別々だった粒子同士をもつれた状態にする手法だ。

実現すれば、複数の中継地点をつなぐ「量子中継器」を作ることが可能になる。光ファイバー通信で長距離をカバーする「光中継器」の量子版にあたり、大陸間の量子インターネットを成立させる最後のピースだとされる。

ヨンス教授は今回の成果を「半導体の量子ドットが将来の量子通信網の鍵になることを実証した」と位置づけている。ほぼ同じ時期にドイツのシュトゥットガルトとザールブリュッケンの別チームも近い成果を発表しており、世界中で量子ネットワーク競争が一段と加速し始めた。米国・欧州・中国・日本それぞれが国家プロジェクトを動かしており、2030年前後の実用化へ向けたつばぜり合いが本格化している。

シルミー

大陸の向こうの友達と、絶対バレない秘密のおしゃべりができるようになる、ってこと?

はかせ

そういう未来の通信網を作るための、ものすごく大事な一歩がいま踏み出されたところなんですよ

2030年代には実験室レベルの量子インターネットが部分的に動き出すという見方もある。SF小説で描かれた瞬間移動の技術は、形を変えて私たちの通信網の足元に静かに溶け込もうとしている。