NASAは宇宙で新たな量子もつれ実験を開始する

NASA は今週、今年後半に宇宙で量子もつれに関するミニ実験を開始すると発表した。このミッションは、宇宙量子もつれおよびアニーリング実験 (SEAQUE) と呼ばれ、もつれた 2 つの光子が宇宙で互いにリンクしたままでいられるかどうかをテストする。量子物理学のこの奇妙な特性により、将来、望遠鏡やコンピューターなどのデバイスを、より解像度の高い情報を伝送できる周波数で接続できるようになるかもしれない。

このプロジェクトは、米国、カナダ、シンガポールの研究機関と数社の企業パートナーとの共同プロジェクトです。システムに必要なものはすべて、国際宇宙ステーションの表面にある牛乳パックサイズのコンテナに収まります。

これは複雑な話題なので、まずは基本から始めましょう。光子は光の基本単位で、粒子としても波としても振る舞うことができます。一方、エンタングルされた光子は、それらの間の物理的な距離に関係なく、つながっているかのように振る舞います (「遠隔作用」とも呼ばれる現象)。つまり、たとえ各光子の特性を個別に測定したとしても、エンタングルされたペアのうち 1 つの光子を測定すると、もう 1 つの光子の特性が影響を受けるため、結果は相関していることになります。

では、このような研究の目的は何なのでしょうか。このエンタングルメントを作成して維持することで、量子コンピューターや量子望遠鏡など、地上にある離れた量子システムが高解像度のデータを相互に通信できるようになります。量子ネットワークは、安全な通信、量子コンピューターのリモートプログラミング、分散センシングに使用できます。

「私たちのプロジェクトは、量子コンピューターを接続できるようにする足がかりです」と、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の SEAQUE プロジェクトの主任研究員であるポール・クワット氏は言う。2 台の量子コンピューターを接続すると、その計算能力も向上する。たとえば、2 台の 100 量子ビット コンピューターが独立して動作するのではなく、これらのコンピューターが互いに絡み合っていると、1 台の 200 量子ビット コンピューターのように動作する。

量子ビットについて: 情報をバイナリ ビットでエンコードする従来のコンピューターとは異なり、量子コンピューターは情報を量子ビットでエンコードできます。量子ビットは 0、1、または奇妙なことに同時にその両方になります。この特性により、理論上は、暗号化、量子システムのシミュレーション、未分類のデータベースの検索などの特定の問題を量子コンピューターは従来のコンピューターよりもうまく解決できます。

しかし、量子コンピューターは繊細です。100 マイル離れていても光ファイバーで接続すると、量子信号を一方から他方へ伝達するのは困難です。光ファイバーを通るときに損失があるからです。「十分に長い距離を移動すると、基本的に量子信号は到達しません」とクウィアット氏は言います。また、量子状態はコピーできないため、エンジニアは信号に増幅器を使用することができません。「宇宙からリンクを閉じることの利点は、光の強度が基本的に低下するため、光ファイバーで信号を送信する場合よりも自由空間を通過するときの損失がはるかに少ないことです。」

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SEAQUE プロジェクトは、ISS において、エンタングルメントの作成、エンタングルメントの分配、エンタングルメントの検出という 3 つの目標を掲げています。

これまで、エンタングルメント光子はバインダークリップほどの大きさの結晶で生成されていました。その後、光子を集めて空間で再調整する必要がありました。SEAQUE は、自発的パラメトリック ダウンコンバージョンと呼ばれるプロセスを通じてエンタングルメントを生成します。このプロセスでは、1 つの光子が非線形結晶を通過し、エネルギーの低い 2 つの娘光子を生成します。「私たちが行っていることの 1 つは、光源が小さな集積光学素子、つまり導波路チップを使用しているため、はるかに小型であることです」と Kwiat 氏は言います。「光を送り込むと、そこから光子が出て、温度を一定に保つだけです。送り込む親光子 1 つにつき、バルク結晶の場合よりも、魔法のエンタングルメント娘光子のペアが生成される可能性が高くなります。」

「私たちは、何らかの方法で光子を作り出し、その特性の一部が相関するようにしています。私たちの場合、光子は偏光に絡み合っています」とクウィアット氏は付け加えます。「偏光とは、光の揺れる方向、つまり振動する方向です。」偏光システムの日常的な例としては、映画用の 3D メガネがあります。3D メガネでは、各レンズが異なる方向から光が見えるようになっています。「[これらの娘光子] をどのように見ても、それらの間には常に相関関係があります」と同氏は言います。「量子システムなしでは、これらの相関関係を得ることは不可能です。」

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SEAQUE の限定的な実験では、両方の光子が宇宙空間の同じ小さなパッケージ内で生成され、検出される。将来の量子通信では、望遠鏡と何らかの指向追跡システムを追加して、光子の 1 つまたは両方を送信できるようにする必要があると、クウィアット氏は指摘する。

現在の技術では、量子メモリを通常のフラッシュドライブのようなものに長期保存することはできないため、量子情報はリンクを介して送信する必要があります。中国で行われた一連の実験では、地上の望遠鏡と宇宙の衛星を通じてそれが実現されました。

「望遠鏡は互いに向き合ってロックオンし、量子信号を送信する必要があります。望遠鏡が大きいほど、より多くの光を集めることができ、地上から衛星へ、または衛星から地上への伝送効率が高くなります」とクウィアット氏は説明する。「現在行っているプロジェクトは、それを実現しようとしているわけではありません。」

これら 2 つの光子が生成された後、SEAQUE の最終段階は検出で、光子の特性を測定します。「検出器は単一の光子を検出できなければなりません。光子は非常に敏感です」とクウィアット氏は言います。信号が地球から宇宙に伝わる際に光子がいくらか失われますが、それでも光ファイバーを経由する場合よりは損失ははるかに少なくなります。「地球からの信号を検出することはこの技術実証の範囲外ですが、SEAQUE は検出器アレイを使用して、エンタングルメント ソースによって生成された光子をカウントします」と NASA はプレスリリースで述べています。

光子は貴重で限られているため、研究者は取得した光子を確実に検出できるようにする必要があります。つまり、検出器から入ってくるノイズをすべて除去する必要があります。

「人々が使用する一般的な検出器は、放射線による損傷の影響を受けます。宇宙空間では大量の放射線にさらされ、その放射線が検出器の材料（半導体またはシリコン）の結晶格子に欠陥を作り出します」とクウィアット氏は言います。これがノイズ、つまりダークカウントを引き起こし、検出器は光子が通過していないのに光子を検出したと認識します。これらの欠陥は時間の経過とともに蓄積され、ノイズが増大して最終的に量子信号をかき消す可能性があります。ノイズが多すぎると、量子暗号などの量子システムのセキュリティが失われ、量子コンピューター間のリンクが切断されます。

地球上では、彼らは問題の解決策を見つけたようだ。放射線による欠陥は格子にそれほど固くくっついているわけではなく、格子を加熱して揺らすと、それらの欠陥は自然に修復されるとクウィアット氏は指摘する。しかし、宇宙での加熱をよりコスト効率よくするために、検出器全体をオーブンのような構造物に入れるのではなく、明るいレーザーを使用してこれらの欠陥を部分的に修復する予定だ。SEAQUEは、放射線による損傷が絶えない宇宙で、このレーザーアニーリング法がどれだけ効果的かをテストする。レーザーによる修復によってミッションの寿命が延び、システム全体がより長く機能し続けるようになることを期待している。

この長距離通信が最終的に個々の量子コンピュータにどのように接続されるかはまだ定かではありません。量子コンピュータがどのようなものであるべきかについて多くのアイデアがあるため、もつれ合った光子を量子デバイスに接続する方法についてはさまざまなアイデアがあります。

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しかし、開発中の量子技術の中には光子と相互作用するものもあります。たとえば、ハネウェルの実験システムで使用されているトラップされたイオンは、ある状態から別の状態に移行するときに光子を放出します。

「もつれた光子の 1 つを取り出して原子にセットするか、または 2 つの光子を干渉させてもつれを転送し、これらの遠隔システムをもつれさせることができます」とクウィアット氏は示唆する。一方、Google と IBM は、マイクロ波光子と通信する量子ビット (量子ビットは人工原子のように見える) を備えた超伝導量子プロセッサを使用している。「ここで問題となるのは、それを [宇宙に] 送信しようとしている光子の 1 つに変換できるかどうかです。」

マイクロ波光子はエネルギーが非常に低いため、自由空間で検出するのはほぼ不可能です。「マイクロ波光子はノイズに埋もれてしまいます」と、彼は付け加えます。「そのため、マイクロ波から可視波長または通信波長に変換する何らかの変換を行う必要があります。」

これは現在、世界中の多くのグループが解決に取り組んでいる難しい物理学と工学の課題です。しかし、おそらく今後 10 年ほどで、研究者はこれらの光子を、閉じ込められたイオン、中性原子、超伝導量子ビットなど、量子ビットと通信できる適切な周波数に変換できるようになるかもしれません。

「役に立つ量子コンピューターが実現するまでには、まだしばらく時間がかかるでしょう。なぜなら、まだ役に立つ、誤り訂正機能のある量子コンピューターが存在せず、変換が機能していないからです」とクウィアット氏は言う。「誰もが自分のパズルのピースに取り組んでいるところです。」