量子物理学はテレポーテーションを可能にするか？

空中都市からロボット執事まで、未来的なビジョンが PopSci の歴史に満ちています。「 Are we there yet?」コラムでは、最も野心的な約束に向けた進捗状況を確認します。シリーズの詳細は、こちらをご覧ください。

ジェットパック、空飛ぶ車、ホバーボード、新幹線など、発明家たちはSFから科学的事実まで、A地点からB地点まで移動するためのありとあらゆる独創的な方法を思いついてきた。しかし、移動の理想郷となると、乗り物を使わずに瞬時に移動できるテレポーテーションに勝るものはない。「ビームでスコッティを運ぶ」技術が他の移動手段に比べて注目度が低いのは（ 『ポピュラーサイエンス』誌は1993年11月と2004年9月に短い解説記事を掲載した）、アイデアが魅力的でないからではない。残念ながら、ここ数十年、テレポーテーション科学には報告すべき進歩がほとんどなかったのだ。しかし、2010年代以降、原子レベルにおける新たな発見、具体的には量子テレポーテーションが、この分野に革命を起こしつつある。

受賞者を選考するスウェーデン王立科学アカデミーによると、今月、2022年のノーベル物理学賞が「量子もつれ光子の実験」に対して3人の科学者に授与された。受賞者の研究は、テレポーテーションが可能であることを実証した。まあ、少なくとも光子間では（そして、何がテレポーテーションできるかについては重大な留保付きで）。物理学者のアラン・アスペクト、ジョン・クラウザー、アントン・ツァイリンガーは、過去数十年にわたって独立してブレークスルーを達成した。彼らの研究結果は、量子もつれの作用を実証しただけでなく、その不可解な特性が量子情報をある光子から別の光子にテレポートするためのチャネルになり得ることも示した。彼らの研究結果は、空港や駅をスタートレック風のトランスポーターに変えるには程遠いが、量子コンピューティング、量子ネットワーク、量子暗号化などの有望なアプリケーションへの道を開きつつある。

「テレポーテーションというのは、とても刺激的な言葉です」と、カリフォルニア工科大学のシャン・イー・チェン物理学教授で、INQNET量子ネットワークプログラムのディレクターでもあるマリア・スピロプル氏は言う。「それは私たちの感覚を呼び起こし、奇妙な現象が起きていることを示唆します。しかし、量子テレポーテーションでは何も奇妙なことは起きていません。」

20 世紀初頭、マックス プランク、アルベルト アインシュタイン、ニールス ボーア、エルヴィン シュレーディンガーなどの物理学者の間で量子力学が議論されていたころ、自然界には素粒子レベルで量子もつれと呼ばれる独自の隠れた通信チャネルがあることが明らかになりつつありました。アインシュタインは 1935 年に発表した論文でこの現象を科学的に説明しましたが、通常の物理法則に反するように見えることから「不気味な遠隔作用」と呼んで有名になりました。当時、この現象はテレポーテーションと同じくらい空想的なものに思えました。テレポーテーションは、そのわずか 4 年前に作家のチャールズ フォートが UFO やポルターガイストのような説明のつかない光景を表現するために初めて作った言葉です。

「科学者が量子実験を始めた50年前は、まだかなり難解だと考えられていました」とスピロプルは言う。まるで当時の科学者たちへの敬意を表すかのように、スピロプルのオフィスには物理学者リチャード・ファインマンを称えるプリントが飾られている。ファインマンは量子力学の図解であるファインマン図で1965年にノーベル賞を受賞した。

スピロプルは量子もつれを共有記憶と同一視している。「一度結婚したら、離婚回数は関係ありません」と彼女は説明する。一緒に思い出を作ったので、「永遠につながっているのです」。亜原子レベルでは、粒子間の「共有記憶」により、原子スピンや光子の偏極などの量子状態に関する情報を離れた粒子間で瞬時に転送することができる。これらの情報ビットは量子ビット、またはキュービットと呼ばれる。従来のデジタルビットはバイナリであり、つまり1または0の値しか保持できないが、キュービットは重ね合わせで0から1までの任意の範囲を表すことができる。つまり、0になる確率と1になる確率が同時にある。キュービットは同時に無限の数の潜在的な値をとる能力があるため、情報をはるかに高速に処理することができ、それはまさに物理学者が量子テレポーテーションを活用するシステムに求めていたものである。

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しかし、量子ビットが情報プロセッサとして機能するには、従来のコンピュータチップが情報を共有するのと同じように情報を共有する必要があります。そこで登場するのが、エンタングルメントとテレポーテーションです。光子や電子などの素粒子（量子ビット）をエンタングルメントし、その後分離することで、一方の量子ビットに対して操作を実行すると、もう一方の量子ビットに瞬時の応答が生成されるようになります。

これまで量子ビットが分離された最長距離は、中国の科学者によって記録された。彼らは量子もつれを利用して、チベットから870マイル離れた軌道上の衛星に情報を送信した。地上では、光ファイバー接続と空気（視線レーザー）を経由した、わずか数十マイルの記録である。

量子ビットの奇妙な動作、つまり、どれだけ離れていてもまだ一緒にいるかのように振る舞うことは、物理学者を困惑させながらも驚かせ続けている。「確かに魔法のようです」とスピロプルは認める。「その効果は、とても『すごい！』という感じがしますが、一度分析してみると、それはエンジニアリングです」。そして、過去わずか 5 年で、量子ビットの神秘的だが予測可能な特性を応用する量子エンジニアリングは大きく進歩した。グーグル、IBM、マイクロソフトなどのテクノロジー大手による量子コンピューティングの進歩に加え、スピロプルは量子テレポーテーションを活用した量子インターネットを構築する政府および民間資金によるプログラムの先頭に立ってきた。
カリフォルニア工科大学のスピロプル博士研究員であるベンカタ・R.（ラジュ）・ヴァリヴァルティ氏とニール・シンクレア氏の指導のもと、最先端の量子テレポーテーションの仕組みを次のように説明しています（シートベルトを締めた方がいいかもしれません）。

ステップ1: 絡み合う

レーザーを使用して、光子の流れが、光子をペアに分割できる特殊な光学結晶を通過します。光子のペアはエンタングルメント状態になり、情報を共有します。一方が変化すると、もう一方も変化します。

ステップ2: 量子テレポーテーションチャネルを開く

次に、2 つの光子のうちの 1 つが光ファイバー ケーブル (または空気や宇宙など、光を伝送できる他の媒体) を介して遠く離れた場所に送信されます。これにより、テレポーテーション用の量子チャネルが開きます。遠く離れた光子 (上の図で光子 1 と表示) が受信機になり、後ろに残った光子 (光子 2 と表示) が送信機になります。光子は遠回りして分散される可能性があるため、このチャネルは必ずしも情報の流れの方向を示すものではありません。

ステップ3: テレポート用のメッセージを準備する

3 番目の光子がミックスに追加され、テレポートする情報がエンコードされます。この 3 番目の光子がメッセージのキャリアです。送信される情報の種類は、位置、偏光、運動量など、光子の特性または状態と呼ばれるものにエンコードできます。(エンコードされたメッセージを 0、1、およびそれらの重ね合わせで考えると、ここで量子ビットが登場します。)

ステップ4: エンコードされたメッセージをテレポートする

量子物理学の興味深い特性の 1 つは、粒子の状態、つまりスピンや位置などの特性は、測定されるまで知ることができないことです。これはサイコロのようなものだと考えてください。1 つのサイコロには最大 6 つの値を入れることができますが、その値は振ってみなければわかりません。粒子の測定はサイコロを振るようなもので、特定の値が固定されます。テレポーテーションでは、3 番目の光子がエンコードされると、2 番目と 3 番目の光子の特性の共同測定が行われます。つまり、それらの状態が同時に測定され、値が固定されます (サイコロのペアの値を表示するのと同じです)。測定という行為により、2 番目の光子の状態が 3 番目の光子の状態と一致するように変化します。2 番目の光子が変化するとすぐに、量子チャネルの受信側にある 1 番目の光子が一致する状態にスナップします。

これで、情報は光子 1 である受信機に渡されます。ただし、情報が遠隔地にテレポートされたとしても、まだエンコードされたままです。つまり、サイコロを振ったときのように、デコードまたは測定されるまでは不確定です。光子 1 の測定値は、光子 2 と 3 の合同測定値と一致する必要があります。したがって、光子 2 と 3 の合同測定値は記録され、光子 1 の場所に送られ、繰り返して情報をアンロックできます。この時点で、光子 2 と 3 は、光子を測定する行為によって破壊されるため、消えています。光子は、目のように、測定に使われるものによって吸収されます。

ステップ5: テレポートを完了する

光子 1 の状態を解読してテレポーテーションを完了するには、光子 1 を共同測定の結果に基づいて操作 (回転とも呼ばれます) する必要があります。これは、光子 1 と 2 で前に振ったのと同じようにサイコロを振るようなものです。これにより、メッセージが解読されます。バイナリの 1 と 0 がテキストまたは数値に変換される方法に似ています。テレポーテーションは表面的には瞬時に行われるように見えるかもしれませんが、共同測定からの解読指示は光を使用してのみ送信できるため (このシナリオでは光ファイバー ケーブル経由)、光子は光速でのみ情報を転送します。これが重要なのは、そうでなければテレポーテーションが、光速よりも速く移動するものはないというアインシュタインの相対性原理に違反するためです。違反すると、さまざまな奇妙な影響が生じ、物理学がひっくり返される可能性があります。これで、光子 3 (メッセンジャー) にエンコードされた情報が、光子 2 の位置 (送信機) から光子 1 の位置 (受信機) にテレポートされ、デコードされました。

ふう！量子テレポーテーションが完了しました。

現在、デジタル ビットは光を使用して伝送されるため、量子テレポーテーションと量子ネットワークには本質的な利点がないように見えるかもしれません。しかし、その違いは重要です。量子ビットはビットよりもはるかに多くの情報を伝送できます。さらに、量子ネットワークはより安全です。量子エンタングルメントを妨害しようとすると、開いている量子チャネルが破壊されるからです。

研究者たちは、素粒子情報を絡ませ、伝達し、測定するさまざまな方法を発見しました。さらに、光子に関する情報のテレポートから、電子や原子などのより大きな粒子に関する情報のテレポートへと進化しています。

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しかし、それはあくまでも情報伝達に過ぎず、物質、つまり人間を構成する物質が伝達されるのではない。究極の夢は人間のテレポーテーションかもしれないが、まだそこまで到達していないのはむしろ良いことかもしれない。

テレビと映画のスター・トレックシリーズは、テレポーテーションの普及に貢献しただけでなく、きらびやかなディゾルブ効果とキャッチーな転送トーンでそれを魅力的に見せた。一方、テレポーテーションの失敗を描いた映画「ザ・フライ」は、テレポーテーションについてはるかに暗いが、おそらく科学的にはより真実に近い姿を描いている。テレポーテーションは実際には生まれ変わりの行為だからだ。生体のテレポーテーションはリスクのあるビジネスである。出発地点で旅行者の情報をスキャンし、その情報を目的の座標に送信し、出発地点でそれらを解体すると同時に到着地点で旅行者を再構築する必要がある。私たちは自分自身の誤ったコピーを放し飼いにしたいとは思わないだろうし、自分自身の生命のないコピーとして到着したいとも思わないだろう。このプロセスを成功させるには、鼓動、呼吸、まばたきのすべてのシステムを無傷で到着しなければならない。生物をテレポートさせることは、本質的に生死の問題である。

か否か。

スティーブン・ホーキングのような優れた頭脳を持つ人々は、量子エンタングルメント チャネルを介してテレポートされる情報、つまりベクトル状態は、素粒子の特性に限定される必要はないと提唱しています。実際、この理論によれば、ブラックホールに閉じ込められた情報全体がテレポートされる可能性があります。奇妙な話ですが、2 つのブラックホールをエンタングルメントし、ワームホール (時空のショートカット) で接続すると、一方のブラックホールに消えた情報が、もう一方のブラックホールからホログラムとして現れる可能性があります。この理論によれば、分子、人間、さらには惑星全体のベクトル状態さえも、理論的にはホログラムとしてテレポートされる可能性があります。

2017年に重力波検出の功績でノーベル物理学賞を受賞したカリフォルニア工科大学の物理学者キップ・ソーンは、1988年に遡ってテレポーテーションとタイムトラベルの可能性を最もうまく説明していたかもしれない。「高度な文明が量子泡からワームホールを引き出し、それを古典的なサイズに拡大することを想像できます。これは、量子トンネル効果による自発的なワームホール生成を計算するために現在開発されている技術によって分析できるかもしれません。」

今のところ、スピロプルは量子テレポーテーションの目先の実現性に焦点を合わせている。しかし、それはスタートレックのようなものではない。 「『スコッティ、私をビームアップしてくれ』なんて、そんなことはない」と彼女は言う。「でも、確かに大きな進歩だ。そして、それは変革をもたらすものだ」