中国の墨子衛星が宇宙における量子もつれの距離記録を樹立
アラン・ボイル著
中国の研究者らは、かつてアルバート・アインシュタインが「不気味な遠隔作用」と嘲笑した現象である、宇宙を通じた量子テレポーテーションの距離記録を更新したと報告した。
この技術はまだ実用化には至っていないが、最終的には量子物理学の不思議さに基づいた、解読不可能な新しいタイプの暗号化方式への道を開く可能性がある。
本日サイエンス誌に報告されたこの実験では、中国の周回衛星「墨子」から745マイル（1,200キロ）以上離れたチベット高原の山岳地帯にある地上局に、量子もつれ状態の光子対が伝送された。
この偉業は、これまでの89マイル（143キロメートル）の記録を上回った。
量子もつれとテレポーテーションはSF的な用語のように聞こえますが、現実の現象です。量子物理学では、2つの粒子が結合し、一方の粒子の状態（例えば偏光）を測定することで、もう一方の粒子の状態を即座に特定することが可能です。
これは、たとえ二つの量子もつれ粒子が最終的に光年も離れたとしても成り立ちます。これが、アインシュタインが量子もつれの「不気味な」性質について不満を述べた理由です。
過去数十年にわたる一連の実験により、光子と電子が実際にエンタングルメント状態になることが実証されてきましたが、それは容易ではありません。科学者たちは、エンタングルメント状態にある光子と電子のペアが空気中や光ファイバーを通過する際に劣化し、エンタングルメント状態が解けることを発見しました。
宇宙のほぼ真空状態では、これはそれほど大きな問題にはならないはずで、中国宇宙機関は昨年8月にその可能性を探るため、墨子衛星を打ち上げた。墨子衛星は古代中国の哲学者にちなんで名付けられ、同国が1億ドル規模の宇宙規模量子実験プログラム（QUESS）の一環として実施されている。
衛星に搭載された光ビームは、リン酸チタン酸カリウムの結晶を通過し、量子もつれ状態にある光子対を放出した。光子の1つはデリンハの地上局に、もう1つは麗江の施設に送られた。また、南山の別の地上局にも光子が送られた。
山の位置は、大気圏を通過する距離を最小限に抑えるために選ばれました。
地上回線を介して1,000組以上の光子対を測定・比較したところ、研究者たちは、対になった光子の偏光が逆になっている頻度がはるかに高いことを発見した。これは、量子もつれが完璧ではないにしても、適切であることを実証した。
この技術は複雑です。量子信号は従来の方法では増幅できないからです。研究者たちは、毎秒600万個の光子のうち、わずか1個しか復元できませんでした。しかし、これは第一歩です。
研究者が量子信号の強度と信頼性を高める方法を発見できれば、量子ベースの暗号鍵伝送への道が開かれる可能性があります。このような通信方式は、伝送途中で盗聴を試みても基本的に信号が崩壊するため、極めて安全であると考えられています。
カナダのウォータールー大学の物理学者トーマス・ジェネウェイン氏は、中国チームの偉業は、この分野にとって「非常に大きな成果」であるとサイエンス誌に語った。
中国チームは、オーストラリアの研究者と協力し、さらなる衛星実験を行う計画を立てています。カナダも量子衛星の開発に取り組んでいます。一方、欧州と米国の科学者たちは、量子通信装置を国際宇宙ステーションに送り込み、試験を行うことについて協議しています。
Science誌に掲載された研究「1,200キロメートルを超える衛星ベースのエンタングルメント分布」の主著者は、中国科学技術大学のJuan Yin氏です。責任著者はCheng-Zhi Peng氏、Jian-Yu Wang氏、Jian-Wei Pan氏です。その他30名の共著者がいます。
