(57)【要約】【課題】相対論的因果律に反しない過去への通信を実現する。【解決手段】量子相関状態にある光子ビーム（Ｌ１１，Ｒ１１）を生成する光子対源（Ｇ１１）を有し、それぞれの中心波長が光子ビーム（Ｌ１１，Ｒ１１）に等しい光子ビーム（Ｌ１２，Ｒ１２）を生成する光子対源（Ｇ１２）を有し、光子ビーム（Ｌ１１，Ｌ１２）を合波干渉させるビームスプリッタ（ＢＳ１１）を有し、光子ビーム（Ｌ１１）の光路上にシャッター（ＳＨ１１）を有し、光子ビーム（Ｒ１１，Ｒ１２）を合波干渉させるビームスプリッタ（ＢＳ１２）を有し、ビームスプリッタ（ＢＳ１２）の２口の出力ポートから射出する光子の同時計数率を測定する同時計数器（ＣＣ１１）を有し、シャッター（ＳＨ１１）の開閉を送信信号に対応させて行うことにより信号を送信し、同時計数器（ＣＣ１１）で光子の同時計数率の減増を測定することにより信号を受信する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の光子の放出時刻を測定すれば他方の光子の放出時刻も定まり、一方の光子のエネルギーを測定すれば他方の光子のエネルギーも定まる量子相関状態にある光子対を振り分けてなる一対の光子ビーム（Ｌ１１，Ｒ１１）を生成する光子対源（Ｇ１１）を有し、
一方の光子の放出時刻を測定すれば他方の光子の放出時刻も定まり、一方の光子のエネルギーを測定すれば他方の光子のエネルギーも定まる量子相関状態にある光子対を振り分けてなる一対の光子ビーム（Ｌ１２，Ｒ１２）を生成する光子対源（Ｇ１２）であって、中心波長が前記光子ビーム（Ｌ１１）に等しい光子ビーム（Ｌ１２）と、中心波長が前記光子ビーム（Ｒ１１）に等しい光子ビーム（Ｒ１２）とを生成する光子対源（Ｇ１２）を有し、
前記光子ビーム（Ｌ１１）と前記光子ビーム（Ｌ１２）とを合波干渉させる合波干渉手段を有し、
前記光子ビーム（Ｌ１１，Ｌ１２）を前記合波干渉手段で干渉させるか干渉させないかを選択する干渉・非干渉選択手段を有し、
前記光子ビーム（Ｒ１１）と前記光子ビーム（Ｒ１２）とを合波干渉させるビームスプリッタを有し、
前記ビームスプリッタの２口の出力ポートから射出する２本の光子ビームに関して光子の同時計数率を測定する同時計数率測定手段を有し、
前記干渉・非干渉選択手段による干渉・非干渉の選択を送信信号に対応させて行うことにより信号を送信し、前記同時計数率測定手段で光子の同時計数率の変化を測定することにより信号を受信することを特徴とする量子通信装置。
【請求項２】
前記光子対源から前記ビームスプリッタまでの間の前記光子ビームの各光路において、集群した２光子を排除する２光子排除手段を有することを特徴とする請求項１に記載の量子通信装置。
【請求項３】
レーザー光をアンチバンチング光に加工し、前記アンチバンチング光をポンプ光として前記光子対源へ供給するアンチバンチングポンプ光供給手段を有することを特徴とする請求項１に記載の量子通信装置。
【請求項４】
請求項１の発明において、前記合波干渉手段をビームスプリッタとし、前記ビームスプリッタの２つの出力ポートから出力される光子の光路を連結一体とした周回光路と、前記周回光路を任意に遮断・開通する周回光路遮断・開通手段とからなる前記干渉・非干渉選択手段を有することを特徴とする請求項１に記載の量子通信装置。
【請求項５】
請求項４の発明において、前記周回光路遮断・開通手段を境として二つに分けられた周回光路の部分光路のそれぞれが互いに逆方向に巻かれたコイル状光路を有することを特徴とする請求項４に記載の量子通信装置。
【請求項６】
当該通信における受信事象が、通信の原因事象を頂点とする未来光円錐に収まる条件下で過去への通信を行う量子通信方法において、
送信地点と受信地点とを近接配置し、
前記送信地点から短時間の過去への通信手段を用いて前記受信地点に信号を送信し、
前記受信地点から短距離間の古典通信手段を用いて前記送信地点に信号を送信し、
前記短時間の過去への通信手段による１回の通信において信号が過去へ遡る時間が、前記短距離間の古典通信手段による１回の通信において信号が未来へ進む時間よりも長くなるように設定し、
前記短時間の過去への通信手段による通信と、前記短距離間の古典通信手段による通信とを交互に複数回繰り返すことにより、長時間の過去へ通信することを特徴とする量子通信方法。
【請求項７】
当該通信における受信事象が、通信の原因事象を頂点とする未来光円錐に収まる条件下で超光速の通信を行う量子通信方法において、
長距離間を通信する古典通信方法と請求項６に記載の長時間の過去へ通信する量子通信方法とを連続して用いることにより、長距離間を超光速で通信することを特徴とする量子通信方法。
【請求項８】
計算問題において、
前記計算問題出題の原因事象より未来の時刻に受信時空領域を設定し、
前記受信時空領域より未来の時刻において、量子力学的確率事象によって、計算の実行・非実行を選択し、
計算の実行を選択した場合は、計算終了後にその計算結果を、過去への通信を用いて前記受信時空領域へ送信し、
計算の非実行を選択した場合は、前記受信時空領域において受信した計算結果を、過去への通信を用いて前記受信時空領域へ送信することにより、前記受信時空領域において計算結果を先取りすることを特徴とする量子情報処理方法。
【請求項９】
多数の解候補の中から一つの解候補を選択して問題に適用すると正解不正解の判定ができる多者択一問題において、
前記多数の解候補と同数の受信時空領域とを１対１に対応させ、
前記受信時空領域で受信した各々の正解信号の強さを比較し、
最も強い正解信号を受信した受信時空領域に対応する解候補を選択して問題に適用し、
適用した解候補が正解だった場合、適用した解候補に対応する受信時空領域へ過去への通信により正解信号を送信することにより、前記受信時空領域で前記多者択一問題の正解を先取りすることを特徴とする量子情報処理方法。
【請求項１０】
２ｎ個の解候補の中から正解を探索する解探索問題において、
前記２ｎ個の解候補を２分した第１段階グループと第１受信時空領域の２つのサブ領域とを１対１に対応させ、
第１受信時空領域の２つのサブ領域で受信した各々の正解信号の強さを比較し、
強い正解信号を受信したサブ領域に対応する第１段階グループを選択し、
選択した第１段階グループを２分した第２段階グループと第２受信時空領域の２つのサブ領域とを１対１に対応させ、
第２受信時空領域の２つのサブ領域で受信した各々の正解信号の強さを比較し、
強い正解信号を受信したサブ領域に対応する第２段階グループを選択し、
第２受信時空領域の各サブ領域のいずれか一方または両方で予め設定した閾値以上の強さの正解信号を受信したときは、過去への通信により第１送信時空領域から第１受信時空領域の対応するサブ領域へ正解信号を送信し、
選択した第２段階グループを２分した第３段階グループと第３受信時空領域の２つのサブ領域とを１対１に対応させ、
第３受信時空領域の２つのサブ領域で受信した各々の正解信号の強さを比較し、
強い正解信号を受信したサブ領域に対応する第３段階グループを選択し、
第３受信時空領域の各サブ領域のいずれか一方または両方で予め設定した閾値以上の強さの正解信号を受信したときは、過去への通信により第２送信時空領域から第２受信時空領域の対応するサブ領域へ正解信号を送信し、
同様の処理を繰り返すことによって、
選択した第ｎ−１段階グループを２分した解候補（１つの解候補からなる第ｎ段階グループ）と第ｎ受信時空領域の２つのサブ領域とを１対１に対応させ、
第ｎ受信時空領域の２つのサブ領域で受信した各々の正解信号の強さを比較し、
強い正解信号を受信したサブ領域に対応する解候補（１つの解候補からなる第ｎ段階グループ）を選択し、
第ｎ受信時空領域の各サブ領域のいずれか一方または両方で予め設定した閾値以上の強さの正解信号を受信したときは、過去への通信により第ｎ−１送信時空領域から第ｎ−１受信時空領域の対応するサブ領域へ正解信号を送信し、
選択した解候補（１つの解候補からなる第ｎ段階グループ）を問題に適用して正解だった場合、過去への通信により第ｎ送信時空領域から第ｎ受信時空領域の対応するサブ領域へ正解信号を送信することにより、２ｎ個の解候補の中から正解を探索する量子情報処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遅延選択や非局所的長距離相関やＨＯＭ干渉といった量子力学に特有の効果を利用することにより、相対論的因果律に反することなく過去への通信を行う量子通信装置，量子通信方法および量子情報処理方法に関するものである。ここで、相対論的因果律に反しない過去への通信とは、受信事象が通信の原因事象を頂点とする未来光円錘に収まるという条件下で、送信事象が受信事象より未来に位置する通信のことである。
【背景技術】
【０００２】
１９７８年、ホイーラーは、光子を二つの光路に分けた後に、その光路を測定するか、それとも光路を再び重ね合わせてその干渉を測定するかを選択する遅延選択実験を提案した（非特許文献１）。二つに分かれた光路のそれぞれに検出器を置けば、光子がどちらか一方の光路で検出されるので、光子はどちらか一方の光路を通ってきたように見える。ところが、各光路の光を合波させた上で光子を検出すれば、干渉が観測されるので光子は両方の光路を通ってきたように見える。つまり、遅延選択実験では測定装置の事後的な設定が光子の過去におけるふるまいの原因になっているかのように見える。しかし、そのような見方は因果律に反するので間違いである。そこで、ホイーラーは、量子現象はそれが記録されるまでは現象ではないと主張した。
【０００３】
１９８２年、アスペらはベルの不等式を破る量子相関を実証した（非特許文献２）。この量子相関は、非局所的長距離相関ではあるが、相対論的因果律に反する効果ではないので、超光速通信や過去への通信には使えないと考えられてきた。しかし、厳密に考えると、相対論的因果律に反しないからといって、量子相関が超光速通信や過去への通信に使えないとは言えない。なぜなら、受信事象が通信の原因事象（≠送信事象）を頂点とする未来光円錐の内側にある場合、超光速通信や過去への通信は相対論的因果律に反しないからである。
【０００４】
１９８７年、ホン，オウおよびマンデルは、ビームスプリッタの２口の入力ポートに互いに識別できない光子を一個ずつ同時に入力した場合、ビームスプリッタの２口の出力ポートにおける光子の同時計数率がゼロになる２光子干渉（ＨＯＭ干渉）を実証した（非特許文献３）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】J. A. Wheeler, “The Past and Delayed Choice Double Slit Experiment,” in Mathematical Foundations of Quantum Theory, ed. A. R. Marlow (Academic Press, New York, 1978)
【非特許文献２】A. Aspect, P. Grangier, and G. Roger, “Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell's Inequalities,” Phys. Rev. Lett. 49, 91-94 (1982)
【非特許文献３】C. K. Hong, Z. Y. Ou, and L. Mandel, “Measurement of Subpicosecond Time Intervals between Two Photons by. Interference,” Phys. Rev. Lett. 59, 2044-2046 (1987).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
過去への通信は、因果律に反するので不可能だと信じられてきた。そのため、過去への通信の技術開発は放棄されていた。
【０００７】
本発明の目的は、相対論的因果律に反することなく過去への通信を行う量子通信装置を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、相対論的因果律に反することなく長時間の過去への通信を行う量子通信方法を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、過去への通信を用いることにより、相対論的因果律に反することなく長距離間の超光速通信を行う量子通信方法を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、過去への通信を用いることにより、計算問題において計算結果を先取りする量子情報処理方法を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、過去への通信を用いることにより、多者択一問題において多数の解候補の中から正解を先取りする量子情報処理方法を提供することである。
本発明の更なるもう一つの目的は、過去への通信を用いることにより、従来のアルゴリズムでは指数関数時間以上の計算時間を要していた解探索を線形時間や多項式時間で達成する量子情報処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、過去への通信であっても相対論的因果律に反しない場合があることを見出した。
【０００９】
通信が因果的であるということは、通信の原因と結果とが正しい先後関係にあるということである。通常、通信の原因は送信だとみなされている。しかし、通信の究極的な原因は送信ではない。たとえば、地震の通報の究極的な原因とは、地震の発生原因そのものである。それは、『当該地震が発生する世界』を選択する量子力学的確率事象にまで遡ることができる。そこで、一般に通信の究極的な原因とは送信ではなく『当該通信情報を生成する世界』を選択する量子力学的確率事象だということができる。
【００１０】
相対論的因果律に反しない過去への通信は、図１１のように軸ｃｔを時間軸とし軸ｘを空間軸としたミンコフスキー時空図を用いて説明できる。ここで、原点に位置する通信の原因事象Ｏは、『当該通信情報を生成する世界』を選択する量子力学的確率事象である。相対論的因果律は、送信時空領域Ｔｒと受信時空領域Ｒｃとが通信の原因事象Ｏを頂点とする未来光円錘の中に収まっていることを要請する。その要請が満たされていれば、送信時空領域Ｔｒが受信時空領域Ｒｃより未来に位置すること、すなわち過去への通信は相対論的因果律に反しない。なぜなら、通信の原因事象Ｏと受信時空領域Ｒｃとが正しい先後関係にあるからである。
【００１１】
本発明は、以上に述べたような相対論的因果律と過去への通信との関係に関する発見的な考察を前提としている。
【００１２】
本発明の第１の構成は、
一方の光子の放出時刻を測定すれば他方の光子の放出時刻も定まり、一方の光子のエネルギーを測定すれば他方の光子のエネルギーも定まる量子相関状態にある光子対を振り分けてなる一対の光子ビーム（Ｌ１１，Ｒ１１）を生成する光子対源（Ｇ１１）を有し、
一方の光子の放出時刻を測定すれば他方の光子の放出時刻も定まり、一方の光子のエネルギーを測定すれば他方の光子のエネルギーも定まる量子相関状態にある光子対を振り分けてなる一対の光子ビーム（Ｌ１２，Ｒ１２）を生成する光子対源（Ｇ１２）であって、中心波長が前記光子ビーム（Ｌ１１）に等しい光子ビーム（Ｌ１２）と、中心波長が前記光子ビーム（Ｒ１１）に等しい光子ビーム（Ｒ１２）とを生成する光子対源（Ｇ１２）を有し、
前記光子ビーム（Ｌ１１）と前記光子ビーム（Ｌ１２）とを合波干渉させる合波干渉手段を有し、
前記光子ビーム（Ｌ１１，Ｌ１２）を前記合波干渉手段で干渉させるか干渉させないかを選択する干渉・非干渉選択手段を有し、
前記光子ビーム（Ｒ１１）と前記光子ビーム（Ｒ１２）とを合波干渉させるビームスプリッタを有し、
前記ビームスプリッタの２口の出力ポートから射出する２本の光子ビームに関して光子の同時計数率を測定する同時計数率測定手段を有し、
前記干渉・非干渉選択手段による干渉・非干渉の選択を送信信号に対応させて行うことにより信号を送信し、前記同時計数率測定手段で光子の同時計数率の変化を測定することにより信号を受信することを特徴とする量子通信装置である。
【００１３】
ここで、光子対源は、要するに所定の量子相関状態にある光子対を放出する光子対源であればいかなるものでもよい。具体的には、非線形光学結晶によるパラメトリック下方変換や高非線形光ファイバー中の縮退四光波混合を用いることができる。
また、ここで、合波干渉手段とは、要するに光子ビームを重ね合わせて干渉させる手段であればいかなるものでもよい。
また、ここで、ビームスプリッタは、要するに光路を分割・統合するものであればいかなるものでもよい。具体的には、プリズム型、平面型、光方向性結合器型のビームスプリッタを用いることができる。
また、ここで、干渉・非干渉選択手段とは、要するに合波干渉手段における干渉・非干渉を選択する手段であればいかなるものでもよい。具体的には、前記光子ビーム（Ｌ１１，Ｌ１２）を、合波干渉手段で合波干渉させた上で吸収するか、合波干渉手段の手前の光路に設置したシャッターにより前記光子ビーム（Ｌ１１，Ｌ１２）を個別に吸収するかを選択する干渉・非干渉選択手段や、前記光子ビーム（Ｌ１１，Ｌ１２）を、合波干渉手段で合波干渉させた上で吸収するか、合波した後に合波過程の逆過程を施して元の光子ビーム（Ｌ１１，Ｌ１２）に分離した上で個別に吸収するかを選択する干渉・非干渉選択手段を用いることができる。
【００１４】
本発明の第２の構成は、
前記光子対源から前記ビームスプリッタまでの間の前記光子ビームの各光路において、集群した２光子を排除する２光子排除手段を有することを特徴とする量子通信装置である。
【００１５】
ここで、２光子排除手段とは集群した２光子を排除する手段であればいかなるものでもよい。具体的には、２光子吸収性の有機化合物やパラメトリック下方変換の逆過程によるアンチバンチング手段を用いることができる。
【００１６】
本発明の第３の構成は、
本発明の第１の構成において、レーザー光をアンチバンチング光に加工し、前記アンチバンチング光をポンプ光として前記光子対源へ供給するアンチバンチングポンプ光供給手段を有することを特徴とする量子通信装置である。
【００１７】
ここで、アンチバンチングポンプ光供給手段とはレーザー光をアンチバンチングポンプ光に加工し前記光子対源へ供給する手段であればいかなるものでもよい。具体的には、２光子吸収性の有機化合物やパラメトリック下方変換の逆過程によるアンチバンチング手段を用いることができる。
【００１８】
本発明の第４の構成は、
本発明の第１の構成において、前記合波干渉手段をビームスプリッタとし、前記ビームスプリッタの２つの出力ポートから出力される光子の光路を連結一体とした周回光路と、前記周回光路を任意に遮断・開通する周回光路遮断・開通手段とからなる前記干渉・非干渉選択手段を有することを特徴とする量子通信装置である。
【００１９】
本発明の第５の構成は、
本発明の第４の構成において、前記周回光路遮断・開通手段を境として二つに分けられた周回光路の部分光路のそれぞれが互いに逆方向に巻かれたコイル状光路を有することを特徴とする量子通信装置である。
【００２０】
本発明の第６の構成は、
当該通信における受信事象が、通信の原因事象を頂点とする未来光円錐に収まる条件下で過去への通信を行う量子通信方法において、
送信地点と受信地点とを近接配置し、
前記送信地点から短時間の過去への通信手段を用いて前記受信地点に信号を送信し、
前記受信地点から短距離間の古典通信手段を用いて前記送信地点に信号を送信し、
前記短時間の過去への通信手段による１回の通信において信号が過去へ遡る時間が、前記短距離間の古典通信手段による１回の通信において信号が未来へ進む時間よりも長くなるように設定し、
前記短時間の過去への通信手段による通信と、前記短距離間の古典通信手段による通信とを交互に複数回繰り返すことにより、長時間の過去へ通信することを特徴とする量子通信方法である。
【００２１】
本発明の第７の構成は、
当該通信における受信事象が、通信の原因事象を頂点とする未来光円錐に収まる条件下で超光速の通信を行う量子通信方法において、
長距離間を通信する古典通信方法と、本発明の第６の構成に係る長時間の過去へ通信する量子通信方法とを連続して用いることにより、長距離間を超光速で通信することを特徴とする量子通信方法である。
【００２２】
本発明の第８の構成は、
計算問題において、
前記計算問題出題の原因事象より未来の時刻に受信時空領域を設定し、
前記受信時空領域より未来の時刻において、量子力学的確率事象によって、計算の実行・非実行を選択し、
計算の実行を選択した場合は、計算終了後にその計算結果を、過去への通信を用いて前記受信時空領域へ送信し、
計算の非実行を選択した場合は、前記受信時空領域において受信した計算結果を、過去への通信を用いて前記受信時空領域へ送信することにより、前記受信時空領域において計算結果を先取りすることを特徴とする量子情報処理方法である。
【００２３】
本発明の第９の構成は、
多数の解候補の中から一つの解候補を選択して問題に適用すると正解不正解の判定ができる多者択一問題において、
前記多数の解候補と同数の受信時空領域とを１対１に対応させ、
前記受信時空領域で受信した各々の正解信号の強さを比較し、
最も強い正解信号を受信した受信時空領域に対応する解候補を選択して問題に適用し、
適用した解候補が正解だった場合、適用した解候補に対応する受信時空領域へ過去への通信により正解信号を送信することにより、前記受信時空領域で前記多者択一問題の正解を先取りすることを特徴とする量子情報処理方法である。
【００２４】
本発明の第１０の構成は、
２ｎ個の解候補の中から正解を探索する解探索問題において、
前記２ｎ個の解候補を２分した第１段階グループと第１受信時空領域の２つのサブ領域とを１対１に対応させ、
第１受信時空領域の２つのサブ領域で受信した各々の正解信号の強さを比較し、
強い正解信号を受信したサブ領域に対応する第１段階グループを選択し、
選択した第１段階グループを２分した第２段階グループと第２受信時空領域の２つのサブ領域とを１対１に対応させ、
第２受信時空領域の２つのサブ領域で受信した各々の正解信号の強さを比較し、
強い正解信号を受信したサブ領域に対応する第２段階グループを選択し、
第２受信時空領域の各サブ領域のいずれか一方または両方で予め設定した閾値以上の強さの正解信号を受信したときは、過去への通信により第１送信時空領域から第１受信時空領域の対応するサブ領域へ正解信号を送信し、
選択した第２段階グループを２分した第３段階グループと第３受信時空領域の２つのサブ領域とを１対１に対応させ、
第３受信時空領域の２つのサブ領域で受信した各々の正解信号の強さを比較し、
強い正解信号を受信したサブ領域に対応する第３段階グループを選択し、
第３受信時空領域の各サブ領域のいずれか一方または両方で予め設定した閾値以上の強さの正解信号を受信したときは、過去への通信により第２送信時空領域から第２受信時空領域の対応するサブ領域へ正解信号を送信し、
同様の処理を繰り返すことによって、
選択した第ｎ−１段階グループを２分した解候補（１つの解候補からなる第ｎ段階グループ）と第ｎ受信時空領域の２つのサブ領域とを１対１に対応させ、
第ｎ受信時空領域の２つのサブ領域で受信した各々の正解信号の強さを比較し、
強い正解信号を受信したサブ領域に対応する解候補（１つの解候補からなる第ｎ段階グループ）を選択し、
第ｎ受信時空領域の各サブ領域のいずれか一方または両方で予め設定した閾値以上の強さの正解信号を受信したときは、過去への通信により第ｎ−１送信時空領域から第ｎ−１受信時空領域の対応するサブ領域へ正解信号を送信し、
選択した解候補（１つの解候補からなる第ｎ段階グループ）を問題に適用して正解だった場合、過去への通信により第ｎ送信時空領域から第ｎ受信時空領域の対応するサブ領域へ正解信号を送信することにより、２ｎ個の解候補の中から正解を探索する量子情報処理方法である。
【発明の効果】
【００２５】
上記の本発明の一対の光子対源を有する量子通信装置によれば、一対の等価な光子対源が生成した各アイドラー光子ビーム同士（または各シグナル光子ビーム同士）を合波干渉させるか合波干渉させないかを選択することにより信号を送信し、各シグナル光子ビーム同士（または各アイドラー光子ビーム同士）をビームスプリッタで合波した上で２口の出力ポートにおける光子の同時計数率の変化を測定することにより信号を受信するので、通信の原因事象を頂点とする未来光円錐の内側において相対論的因果律に反することなく過去への通信ができる。
【００２６】
また、上記の本発明の互いに逆方向に巻かれたコイル状光路を有する量子通信装置によれば、互いに逆方向に巻かれたコイル状光路に光子を通すことによって通信に有害なサニャック効果を打ち消すことができ、その分長時間にわたって光子を周回光路内にとどめることができるので、１回の送受信で比較的長時間の過去への通信ができる。
【００２７】
また、上記の本発明の長時間の過去への通信に係る量子通信方法によれば、同一の通信装置を用いて短時間の過去への通信を繰り返して行うことにより長時間の過去へ通信するので、簡易な構成で長時間の過去への通信ができる。
【００２８】
また、上記の本発明の長距離間の超光速通信に係る量子通信方法によれば、受信事象が通信の原因事象を頂点とする未来光円錐に納まる条件下で、長時間の過去への通信手段と長距離間の古典通信手段とを連続して用いて通信するので、相対論的因果律に反することなく長距離間の超光速通信ができる。
【００２９】
また、上記の本発明の計算結果の先取りに係る量子情報処理方法によれば、過去への通信を用いて未来から過去へ向けて計算結果を通信するので、計算を実行する前に計算結果を先取りできる。さらに、計算結果を先取りしかつ計算を実行しない事態が一定の確率で起こるので、計算資源を節減できる。
【００３０】
また、上記の本発明における多者択一問題の正解の先取りに係る量子情報処理方法によれば、過去への通信を用いて未来から過去へ向けて正解を通信するので、多者択一問題の正解を先取りできる。また、間違った選択をすると損失が発生する現実の事業選択ような多者択一問題にこの発明を適用すれば、間違った事業の選択を防いで損失を回避できる。
【００３１】
また、上記の本発明における２ｎ個の解候補から解を探索する解探索問題に係る量子情報処理方法によれば、過去への通信を繰り返し用いて正解グループ情報を未来から過去にリレーするので、従来の情報処理方法では指数関数時間を要する各種解探索問題における解探索を線形時間や多項式時間で達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態１に係る量子通信装置の説明図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る量子通信装置の説明図である。
【図３】本発明の実施形態３に係る量子通信装置の説明図である。
【図４】本発明の実施形態４に係る量子通信装置の説明図である。
【図５】本発明の実施形態５に係る量子通信装置の説明図である。
【図６】本発明の実施形態６に係る長時間の過去への通信方法を説明するミンコフスキー時空図である。
【図７】本発明の実施形態７に係る長距離間を超光速で通信する方法を説明するミンコフスキー時空図である。
【図８】本発明の実施形態８に係る計算結果を先取りする方法を説明する樹形図である。
【図９】本発明の実施形態９に係る多者択一問題の正解を先取りする方法を説明する樹形図である。
【図１０】本発明の実施形態１０に係る２ｎ個の解候補の中から正解を探索する方法を説明する樹形図である。
【図１１】通信の原因事象と送信事象と受信事象との時空上の位置関係を説明するミンコフスキー時空図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
実施形態１．
本発明の実施形態１に係る量子通信装置について、図１を参照しながら説明する。
【００３４】
図１の（ａ），（ｂ）は、一対の光子対源Ｇ１１，Ｇ１２を発するアイドラー光子ビームＬ１１，Ｌ１２をビームスプリッタＢＳ１１で合波干渉させ、同光子対源Ｇ１１，Ｇ１２を発するシグナル光子ビームＲ１１，Ｒ１２をビームスプリッタＢＳ１２で合波干渉させる２光子干渉計を用いた本発明の実施形態１に係る量子通信装置である。光子対源Ｇ１１，Ｇ１２それぞれが放出するアイドラー光子とシグナル光子とからなる光子対は、一方の光子の放出時刻を測定すれば他方の光子の放出時刻も定まり、一方の光子のエネルギーを測定すれば他方の光子のエネルギーも定まる量子相関状態にある。また光子対源Ｇ１１と光子対源Ｇ１２は同様に構成・駆動されていて、アイドラー光子ビームＬ１１とアイドラー光子ビームＬ１２とは中心波長が等しく、シグナル光子ビームＲ１１とシグナル光子ビームＲ１２とは中心波長が等しいものとする。また、ここではビームスプリッタはすべて５０／５０ビームスプリッタである。さらに、ビームスプリッタで合波される２光子がたどる光子対源からビームスプリッタまでの光路に関する光路差は、ゼロになるように構成されているものとする。Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ１４はミラーであり、Ｄ１１，Ｄ１２は光子検出器であり、ＣＣ１１は同時計数器であり、ＰＡ１１，ＰＡ１２は光子吸収体であり、ＳＨ１１はシャッターである。
【００３５】
光子対源Ｇ１１，Ｇ１２としては、パラメトリック増幅を行う光非線形媒質を用いることができる。その場合、光子対源Ｇ１１，Ｇ１２に入射させる各ポンプ光として、１本のレーザービームをビームスプリッタで分岐させて用意した各レーザービームを用いても良い。
【００３６】
図１（ａ）は、シャッターＳＨ１１を開放して、ビームスプリッタＢＳ１１，ＢＳ１２の双方で光子ビームの合波干渉が行われるようにした装置である。光子対源Ｇ１１から発生したアイドラー光子ビームＬ１１と光子対源Ｇ１２から発生したアイドラー光子ビームＬ１２はビームスプリッタＢＳ１１により同じ光路上に合波され、光子吸収体ＰＡ１１，ＰＡ１２で吸収される。一方、光子対源Ｇ１１から発生したシグナル光子ビームＲ１１と光子対源Ｇ１２から発生したシグナル光子ビームＲ１２とはビームスプリッタＢＳ１２により同じ光路上に合波され、光子検出器Ｄ１１，Ｄ１２へ入力される。
【００３７】
光子対源Ｇ１１から放出される光子の量子状態｜ψ１＞と、光子対源Ｇ１２から放出される光子の量子状態｜ψ２＞は次のように表される。
【００３８】
【数１】
2011217344.tif 000003
【００３９】
【数２】
2011217344.tif 000004
【００４０】
上式において、｜０＞はゼロ光子状態、｜１＞は１光子状態、｜２＞は２光子状態を表し、aｍｎは光子対源Ｇ１ｍから発生するｎ光子ペアの確率振幅を表し、また、ケット内の添え字｛ｉ１，ｓ１，ｉ２，ｓ２｝はそれぞれ｛Ｇ１１からのアイドラー光子，Ｇ１１からのシグナル光子，Ｇ１２からのアイドラー光子，Ｇ１２からのシグナル光子｝を表す。
【００４１】
ここで、Ｇ１１，Ｇ１２がパラメトリック下方変換により光子対を放出する光子対源だとすれば、パラメトリック自然放出の性質により、シグナル光子とアイドラー光子は必ずペアで発生する。ただし，何ペア出るかは確率的であり、出力状態は重ね合わせとなる。発生する光子ペア数の確率はポンプ光パワーに依存する。ポンプ光パワーの設定により、３ペア以上発生する確率は十分小さいものとする。そうすると、二つの非線形媒質出力を合わせた全系の初期状態｜Ψ０＞は，近似的につぎのように表される。
【００４２】
【数３】
2011217344.tif 000005
【００４３】
３ペア以上の発生確率が十分小さい状況は、Ｇ１１とＧ１２で２ペアと１ペアが同時に発生する確率や２ペアと２ペアが同時に発生する確率が十分小さいという状況でもあるので第６項，第８項，第９項は無視してよい。また、ここでは同時計数器ＣＣ１１の同時計数に反映される２光子干渉を問題にしているので、第１項，第２項，第４項を除外する。さらに、ゼロ光子状態は何もないことと同じなので省略すると、検討対象の状態｜Ψ１＞は次のようになる。
【００４４】
【数４】
2011217344.tif 000006
【００４５】
光子対源Ｇ１１，Ｇ１２の出力特性が全く同じであれば、ビームスプリッタＢＳ１１，ＢＳ１２の出力においてアイドラー光子ｉ１とアイドラー光子ｉ２の区別やシグナル光子ｓ１とシグナル光子ｓ２の区別は原理的に不可能である。そこで、｜１i１＞＝｜１i２＞≡｜１i＞，｜１ｓ１＞＝｜１ｓ２＞≡｜１ｓ＞とすると終状態｜Ψ２＞は次のようになる。
【００４６】
【数５】
2011217344.tif 000007
【００４７】
ただし、ケット外の添え字｛ｔ１，ｔ２，ｄ１，ｄ２｝は、それぞれ｛光子が光子吸収体ＰＡ１１に在る，光子が光子吸収体ＰＡ１２に在る，光子が光子検出器Ｄ１１に在る，光子が光子検出器Ｄ１２に在る｝ことを表す。また、簡単のために｜Ψ１＞における各光子ペアの確率振幅とそれに対応する｜Ψ２＞における各光子ペアの確率振幅とは等しいものとした。
【００４８】
数式５の第１項は、ＨＯＭ干渉によって同時計数器ＣＣ１１の同時計数率が減少することを示している。
【００４９】
つぎに、図１（ｂ）のようにアイドラー光子ビームＬ１１の光路上に設置したシャッターＳＨ１１を閉鎖してアイドラー光子ｉ１をシャッターＳＨ１１に吸収させる場合について述べる。この場合は、アイドラー光子ｉ１とアイドラー光子ｉ２の物理量（放出時刻やエネルギー）がそれぞれ独立に定まる。すると、量子相関によりシグナル光子ｓ１とシグナル光子ｓ２の物理量もそれぞれ独立に定まる。したがって、シグナル光子ｓ１とシグナル光子ｓ２とは識別可能な光子になっている。そこで、終状態｜Ψ´２＞は次のようになる。
【００５０】
【数６】
2011217344.tif 000008
【００５１】
ただし、ケット外の添え字ｓｈ１は、光子がシャッターＳＨ１１に在ることを表す。また、簡単のために｜Ψ１＞における各光子ペアの確率振幅とそれに対応する｜Ψ´２＞における各光子ペアの確率振幅とは等しいものとした。
｜Ψ´２＞では、ＨＯＭ干渉が抑制される分｜Ψ２＞の場合よりも同時計数率が増大する。つまり、図１の装置ではシャッターの開閉に応じて、ＨＯＭ干渉の成立・非成立が遠隔選択され、同時計数器ＣＣ１１での同時計数率が減増する。｜Ψ´２＞におけるＨＯＭ干渉（ＨＯＭディップ）は無視できるとすれば、同時計数率の減増に関するＳＮ比は次のように表される。
【００５２】
【数７】
2011217344.tif 000009
【００５３】
この効果は量子通信に用いることができる。すなわち，Ａｌｉｃｅが送信情報に対応させてシャッターＳＨ１１を開閉することにより信号を送信し、Ｂｏｂが同時計数器ＣＣ１１で同時計数率の減増を測定することにより信号を受信する量子通信が成立する。
【００５４】
図１の装置ではアイドラー光子の光路長をシグナル光子の光路長よりも長くとることが可能である。この場合、シグナル光子の検出後に対応するアイドラー光子が吸収される。この事態は、過去への通信の可能性を示唆している。実際、受信事象が『通信の原因事象を頂点とする未来光円錐』（以下、通信の未来光円錐という）の内側にある場合、過去への通信は相対論的因果律に反しない。ただし、通信の原因事象とは、『当該通信情報を生成する世界』を選択する量子力学的確率事象のことである。
【００５５】
ここで、通信の原因事象である量子力学的確率事象によって、『シャッターＳＨ１１が閉鎖される世界』が選択される場合を考察する。受信時空領域が通信の未来光円錐の内側にある場合、受信時空領域ではシャッターＳＨ１１の閉鎖原因（通信の原因事象）の存在を光速以下の古典通信によって知ることができる。シャッターＳＨ１１の閉鎖原因は『シャッターＳＨ１１が閉鎖される世界』に属しているのだから、その存在を知ることができる受信時空領域もまた『シャッターＳＨ１１が閉鎖される世界』に属している。受信時空領域が『シャッターＳＨ１１が閉鎖される世界』に属しているのだから、受信時空領域のシグナル光子ｓ１とシグナル光子ｓ２は量子相関によって識別可能な光子になっている。シグナル光子ｓ１とシグナル光子ｓ２とが識別可能な光子になっているのだから、シグナル光子ｓ１とシグナル光子ｓ２とのＨＯＭ干渉は抑制される。
【００５６】
結局、図１の装置は、通信の未来光円錐の内側において過去への通信に利用できる。
【００５７】
図１の装置においては、送信側にアイドラー光子ビームを振り向け、受信側にシグナル光子ビーム振り向ける設定について説明したが、逆に、送信側にシグナル光子ビームを振り向け、受信側にアイドラー光子ビームを振り向ける設定であってもよい。また、図１では説明の便宜上ビームスプリッタＢＳ１１の出力ポートに光子吸収体ＰＡ１１，ＰＡ１２を設けているが、特に手段を講じることなく装置周囲の環境によって光子を吸収させてもよい。
【００５８】
実施形態２．
本発明の実施形態２に係る量子通信装置について、図２を参照しながら説明する。図２は、図１と同様の量子通信装置において、光子対源Ｇ２１，Ｇ２２からビームスプリッタＢＳ２１までの間のシグナル光子ビームＲ２１，Ｒ２２の各光路に、集群した２光子を排除する２光子吸収体ＴＰＡ２１，ＴＰＡ２２を設けたものである。２光子吸収体としては、有機化合物による非線形光学材料を用いることができる。
【００５９】
このようにして、２光子吸収体ＴＰＡ２１，ＴＰＡ２２を用いて集群した２光子を排除すれば、式７の分母をゼロに近づけられるので，ＳＮ比は格段に向上する。
【００６０】
実施形態３．
本発明の実施形態３に係る量子通信装置について、図３を参照しながら説明する。図３は、図１と同様の量子通信装置において、レーザー光をアンチバンチング光に加工して光子対源Ｇ３１，Ｇ３２に供給するためのアンチバンチングポンプ光供給手段を備えたものである。
【００６１】
アンチバンチングポンプ光供給手段は、レーザー光源ＬＳ３１とビームスプリッタＢＳ３３と２光子吸収体ＴＰＡ３１，ＴＰＡ３２とからなり、レーザー光源ＬＳ３１を発したレーザービームをビームスプリッタＢＳ３３によって２分し、さらに２光子吸収体ＴＰＡ３１，ＴＰＡ３２によりアンチバンチングポンプ光にして光子対源Ｇ３１，Ｇ３２へ供給する。
【００６２】
このようにしてポンプ光にアンチバンチング光を用いれば、式７の分母をゼロに近づけられるので，ＳＮ比は格段に向上する。
【００６３】
実施形態４．
本発明の実施形態４に係る量子通信装置について、図４を参照しながら説明する。図４の（ａ），（ｂ）は、ビームスプリッタＢＳ４１の２つの出力ポートから出力される光子の光路を連結一体とした周回光路と、その周回光路を任意に遮断・開通するシャッターＳＨ４１とからなる干渉・非干渉選択手段を有する本発明の実施形態４に係る量子通信装置である。図４（ａ）に示すようにシャッターＳＨ４１によって周回光路を遮断した場合、アイドラー光子，シグナル光子はそれぞれビームスプリッタＢＳ４１，ＢＳ４２によって合波され干渉したうえで吸収される。したがって、この場合ビームスプリッタＢＳ４１，ＢＳ４２から出力される光子が、光子対源Ｇ４１，Ｇ４２どちらから出力した光子であるかは識別不可能になり、その結果、ＨＯＭ干渉によりＢｏｂ側の同時計数率が抑制される。一方、図４（ｂ）に示すように周回光路を開通させた場合、アイドラー光子ｉ１，ｉ２は光子対源Ｇ４１，Ｇ４２側に個々別々に逆戻りし、環境中において個々別々に吸収される。したがって、この場合アイドラー光子ｉ１とアイドラー光子ｉ２の識別が可能になるので、量子相関によって、Ｂｏｂ側のビームスプリッタＢＳ４２から出力される個々の光子に関しても、シグナル光子ｓ１とシグナル光子ｓ２の識別が可能になり、その分同時計数器ＣＣ４１における同時計数率が増大する。つまり、Ａｌｉｃｅ側において周回光路を遮断するか遮断しないかに応じて、Ｂｏｂ側における光子の同時計数率が減増するので、この量子相関を利用して量子通信が可能になる。よって、図４の装置は通信の未来光円錐の内側において過去への通信に利用することができる。
【００６４】
実施形態５．
本発明の実施形態５に係る量子通信装置について、図５を参照しながら説明する。図５は、図４と同様の干渉・非干渉選択手段を有し、シャッターＳＨ５１を境として二つに分けられた周回光路の部分光路のそれぞれが互いに逆方向に巻かれたコイル状光路ＯＦＣ５１，ＯＦＣ５２を有する本発明の実施形態５に係る量子通信装置である。コイル状光路がコイル軸と平行な軸周りに回転している場合、コイル状光路を進む光は右回りの場合と左回りの場合とで光路差を生じる（：サニャック効果）。このサニャック効果による光路差がアイドラー光子のコヒーレンス長よりも大きくなると、アイドラー光子ｉ１，ｉ２が光子対源Ｇ５１，Ｇ５２側に識別可能な状態で逆戻りできなくなる。この問題を解決するために、図５の装置では、シャッターＳＨ５１を境として二つに分けられた周回光路の部分光路のそれぞれに互いに逆方向に巻かれたコイル状光路ＯＦＣ５１，ＯＦＣ５２を設けてサニャック効果を相殺している。
【００６５】
このようにサニャック効果を相殺すれば、周回方向によって光路差を生じることがなくなるので、本発明の実施形態５に係る量子通信装置は、コイル状光路の光路長を数ｋｍ以上に設定でき、１回の送受信で１０μ秒以上の過去へ良好に通信することができる。
【００６６】
実施形態６．
本発明の実施形態６に係る量子通信方法について図６を参照しながら説明する。図６は、軸ｃｔを時間軸とし、軸ｘを空間軸としたミンコフスキーの時空図である。ここで、世界線ＡＷＬは送信者Ａｌｉｃｅの世界線であり、世界線ＢＷＬは受信者Ｂｏｂの世界線である。
【００６７】
ここで、短時間の過去への通信を用いて時空領域ｔａ３からそれより過去の時空領域ｔｂ３へ通信を行い、短距離間の古典通信を用いて時空領域ｔｂ３からそれより未来の時空領域ｔａ２へ通信を行う場合、時空領域ｔａ３が時空領域ｔａ２より未来になるように設定すれば、この１サイクルの通信は短時間の過去への通信となる。そこで、同様のサイクルを繰り返し、ｔａ２→ｔｂ２→ｔａ１→ｔｂ１という順番で信号を通信することで、長時間の過去へ通信することができる。
【００６８】
この過去への通信方法は、短時間の過去への通信手段と短距離間の古典通信手段とを交互に使用するので、それぞれの通信手段が一つずつしかない場合でも長時間の過去への通信ができる。ただし、その場合、異なるサイクルの情報が通信過程で混合しないために、連続して送信できる時間は１サイクル当たりに信号が過去に遡る時間を上限とし、その時間を経過したら、つぎの送信は全サイクル分の時間を置いてから行わなければならない。たとえば、１サイクル当たり１μ秒過去に情報を送るものとし、そのサイクルを６００，０００，０００回繰り返して通信すれば、１０分程度の過去へ通信することができる。ただし、連続して送信できる時間は１μ秒が上限であり、１μ秒を経過したら、つぎの送信はその１０分以上後にしなければならない。とはいえ、この過去への通信は従来技術によっては不可能な著しい効果を発揮する。たとえば、大地震の発生を１０分前の過去へ通報することができる。
【００６９】
なお、本発明に係る長時間の過去への通信は、受信事象ｔｂ１が通信の原因事象Ｏ６１を頂点とする未来光円錐に収まる条件下で行うため、通信の原因事象と受信事象とが正しい先後関係にあるので、相対論的因果律に反することはない。
【００７０】
実施形態７．
本発明の実施形態７に係る量子通信方法について図７を参照しながら説明する。本発明の実施形態７は、受信事象が、通信の原因事象を頂点とする未来光円錐に収まる条件下において、長距離間の古典通信と、長時間の過去への通信とを連続して用いることによって長距離間の超光速通信を行うものである。図５（ａ）、（ｂ）は、この実施形態を示すミンコフスキー時空図である。
【００７１】
図７（ａ）は、まず、古典通信を用いて送信時空領域ＴＴから長い距離を隔てた時空領域Ｒｔａ３へ信号を光速で送信し、つぎに、その信号を短時間の過去への通信と短距離間の古典通信とをＲｔａ３→Ｒｔｂ３→Ｒｔａ２→Ｒｔｂ２→Ｒｔａ１→Ｒｔｂ１という順番で繰り返しおこなって長時間の過去へ送信し、その結果、長距離間の超光速通信を行う様子を示している。また、図７（ｂ）は、まず、短時間の過去への通信と短距離間の古典通信とをＴｔａ３→Ｔｔｂ３→Ｔｔａ２→Ｔｔｂ２→Ｔｔａ１→Ｔｔｂ１という順番で繰り返しおこなって長時間の過去へ信号を送信し、つぎに、古典通信を用いてその信号を時空領域Ｔｔｂ１から長い距離を隔てた受信時空領域ＲＲへ光速で送信し、その結果、長距離間の超光速通信を行う様子を示している。いずれの場合も、長距離間の古典通信と長時間の過去への通信を連続して用いることで長距離間の超光速通信を達成する本発明の実施形態７に係る量子通信方法である。この量子通信方法を用いれば、東京で発生した地震を瞬時に木星に通報することができる。すなわち、まず地震が発生した東京から木星に向けて光速で地震の発生を通報し、つぎに過去への通信を用いて４０分前の木星へ地震の発生を通報するか、あるいは、まず地震が発生した東京において過去への通信を用いて地震発生４０分前の東京に地震の発生を通報し、つぎに木星に向けて光速で地震の発生を通報すればよい。
【００７２】
なお、本発明に係る長距離間の超光速通信は、最後の受信事象Ｒｔｂ１，ＲＲが通信の原因事象Ｏ７１を頂点とする未来光円錘に収まる条件下で行うため、通信の原因事象から最後の受信事象までの情報伝達速度が光速以下になるので、相対論的因果律に反することはない。
【００７３】
実施形態８．
本発明の実施形態８に係る量子情報処理方法について図８を参照しながら説明する。図８は、過去への通信手段と計算手段とからなる複合系における計算結果の先取り方法を説明する樹形図である。ここで、実線の分岐は、量子力学的確率事象Ｐ８１によって計算Ｃ８１の実行・非実行を選択し、その選択によって世界が計算Ｃ８１を実行する可能世界Ｗ８１と計算を実行しない可能世界Ｗ８２とに分岐する様子を示している。また、２本の二点鎖線はそれぞれ過去への通信を表している。
【００７４】
図８の左側に分岐した可能世界Ｗ８１では、計算Ｃ８１が終了した後、過去への通信を用いて送信時空領域Ｔｒ８１から受信時空領域Ｒｃ８１へ計算結果を伝える。ただし、受信時空領域Ｒｃ８１は、計算の実行・非実行に係る量子力学的確率事象Ｐ８１より過去に設定する。また、図８の右側に分岐した可能世界Ｗ８２では、受信時空領域Ｒｃ８１で受信した計算結果を、過去への通信を用いて送信時空領域Ｔｒ８２から受信時空領域Ｒｃ８１へ伝える。そうすると、計算を実行した可能世界Ｗ８１から受信時空領域Ｒｃ８１に届く信号と、計算を実行しない可能世界Ｗ８２から受信時空領域Ｒｃ８１に届く信号とが一致するので、計算結果を良好に受信することができる。この実施形態８によれば、計算を実行しないにもかかわらず、計算結果を先取りできる事態が一定の確率で起こるので、計算資源を節減することができる。
【００７５】
なお、本発明に係る計算結果の先取りでは、計算結果を先取りする前に計算問題の出題が完了している。したがって、計算結果を先取りする受信事象が計算問題の出題に関する原因事象を頂点とする未来光円錐に収まっているので、この量子情報処理方法が相対論的因果律に反することはない。
【００７６】
実施形態９．
本発明の実施形態９に係る量子情報処理方法について図９を参照しながら説明する。図９は、多数の解候補の中から一つの解候補を選択して問題に適用すると正解不正解が判定できる多者択一問題において、過去への通信を用いて正解を先取りする方法を説明する樹形図である。ただし、図示の便宜上解候補の数は３個とし、過去に向けて正解を送信する世界を太線によって表した。
【００７７】
各解候補と１対１に対応するように設定された各受信時空領域Ｒｃ９１，Ｒｃ９２，Ｒｃ９３の中で最も強い正解信号を受けた受信時空領域に対応する解候補を選択し、問題に適用Ｃ９３する。
【００７８】
適用した解候補が正解であることを確認した可能世界Ｗ９３では、送信時空領域Ｔｒ９１から対応する受信時空領域Ｒｃ９３へ過去への通信により正解信号を送信する。すると、誤受信の場合を除けば、前記受信時空領域Ｒｃ９３で最も強い正解信号を受信することになるので、３者択一問題の正解を先取りできる。
【００７９】
例えば、過去への通信装置として図５の装置を採用した場合は、適用した解候補が正解であることを確認したら、シャッターＳＨ５１を開放することによって正解に対応する受信時空領域へ正解信号を
送信すればよい。そうすれば、同時計数器ＣＣ５１におけるシグナル光子の同時計数率は正解に対応する受信時空領域において最大になる。
【００８０】
多者択一問題の具体例として、外見からは見分けがつかない３つの箱のいずれか１つに金貨が入っており、金貨が入っていない箱を開けると箱が爆発するという設定において、できるだけ安全に金貨を手に入れるという問題を採り上げて、図９にあてはめてみる。受信時空領域Ｒｃ９１，Ｒｃ９２で最も強い正解信号を誤受信した可能世界Ｗ９１，Ｗ９２では、受信時空領域と対応する不正解の箱を開ける（Ｃ９１，Ｃ９２）。その結果、箱が爆発する。一方、受信時空領域Ｒｃ９３で最も強い正解信号を受信した可能世界Ｗ９３では、受信時空領域と対応する正解の箱を開ける（Ｃ９３）。その結果、金貨の入った正解の箱が確定するので、その正解信号を過去への通信を用いて送信時空領域Ｔｒ９３から対応する受信時空領域Ｒｃ９３へ送信する。すると、誤受信の場合を除けば、前記受信時空領域Ｒｃ９３で最も強い正解信号を受信することになるので、金貨の入った箱をその箱に触れることなく予知でき、安全に金貨を手に入れることができる。
【００８１】
なお、本発明に係る多者択一問題における正解の先取りでは、正解を先取りする前に出題が完了している。したがって、正解を先取りする受信事象が多者択一問題の出題に関する原因事象を頂点とする未来光円錐に収まっているので、この量子情報処理方法が相対論的因果律に反することはない。
【００８２】
実施形態１０．
本発明の実施形態１０に係る量子情報処理方法について図１０を参照しながら説明する。図１０は、２ｎ個の解候補の中から正解を探索する解探索問題に関して、過去への通信を用いることによってｎステップで正解に到達する解探索方法を説明する樹形図である。ただし、ここで１ステップとは１回の過去への通信に係る作業ステップのことである。また、図示の便宜上、ｎを３に制限し解候補数を８個とし、正解に至る過程を太線によって表した。
【００８３】
まず、８個の全解候補を２分した第１段階グループと第１受信時空領域の２つのサブ領域Ｒｃ１０１１，Ｒｃ１０１２とを１対１に対応させる。
【００８４】
つぎに、第１受信時空領域の２つのサブ領域Ｒｃ１０１１，Ｒｃ１０１２で受信した各々の正解信号の強さを比較し、強い正解信号を受信したサブ領域Ｒｃ１０１２に対応する第１段階グループを選択する。
【００８５】
さらに、選択した第１段階グループを２分した第２段階グループと第２受信時空領域の２つのサブ領域Ｒｃ１０２１，Ｒｃ１０２２とを１対１に対応させる。
【００８６】
また、第２受信時空領域の２つのサブ領域Ｒｃ１０２１，Ｒｃ１０２２で受信した各々の正解信号の強さを比較し、強い正解信号を受信したサブ領域Ｒｃ１０２１に対応する第２段階グループを選択する。
【００８７】
第２受信時空領域のサブ領域Ｒｃ１０２１，Ｒｃ１０２２のいずれか一方または両方で予め設定した閾値以上の強さの正解信号を受信したときは、過去への通信により第１送信時空領域Ｔｒ１０１から第１受信時空領域の対応するサブ領域Ｒｃ１０１２へ正解信号を送信する。図１０では、第２受信時空領域のサブ領域Ｒｃ１０２１で予め設定した閾値以上の強さの正解信号を受信した場合を示した。なお、閾値は、理論上最も強い正解信号の２分の１の強さというように予め決めておけばよい。
【００８８】
以下、同様な処理を繰り返す。
【００８９】
すなわち、選択した第２段階グループを２分した第３段階グループと第３受信時空領域の２つのサブ領域Ｒｃ１０３１，Ｒｃ１０３２とを１対１に対応させる。
【００９０】
また、第３受信時空領域の２つのサブ領域Ｒｃ１０３１，Ｒｃ１０３２で受信した各々の正解信号の強さを比較し、強い正解信号を受信したサブ領域Ｒｃ１０３２に対応する解候補（１つの解候補からなる第３段階グループ）を選択する。
【００９１】
第３受信時空領域のサブ領域Ｒｃ１０３１，Ｒｃ１０３２のいずれか一方または両方で予め設定した閾値以上の強さの正解信号を受信したときは、過去への通信により第２送信時空領域Ｔｒ１０２から第２受信時空領域の対応するサブ領域Ｒｃ１０２１へ正解信号を送信する。図１０では、第３受信時空領域のサブ領域Ｒｃ１０３２で予め設定した閾値以上の強さの正解信号を受信した場合を示した。
【００９２】
最後に、可能世界Ｗ１０６において、選択した解候補（１つの解候補からなる第３段階グループ）を問題に適用して正解だった場合、過去への通信により第３送信時空領域Ｔｒ１０３から第３受信時空領域の対応するサブ領域Ｒｃ１０３２へ正解信号を送信する。
【００９３】
以上、２ｎ個の解候補の中から
正解をｎステップで探索する量子情報処理方法をｎ＝３の場合について述べた。なお、ｍを１以上２ｎ未満の自然数として、（２ｎ＋ｍ）個の解候補の中から解を探索する場合は、（２ｎ−ｍ）個のダミー解候補を追加して解候補の数を２ｎ＋１個にした上で探索すればよい。その場合、探索過程でダミー解候補しか含まない解候補グループを選択したら、その時点で解なしとして探索を停止してよい。以下、具体例として巡回セールスマン問題における最適ルート探索の手順を述べる。
【００９４】
まず、極端な低い目標コストを設定し、これを満足するルートが存在するかどうかを探索する。この場合、解が存在しなければ、各受信時空領域のサブ領域では、正解信号の強さが０に近づき予め設定した閾値に達することはない。
【００９５】
そこで、目標のコスト段階を徐々に高くしながら同様の解探索を繰り返す。すると、あるコスト段階で、閾値以上の正解信号が届くことになる。そのコスト段階で、正解のルートが１つだけ存在する場合は、各受信時空領域の２つサブ領域の一方で閾値以上の強さの正解信号が受信され、最終的に１つの正解（目標コストに収まるルート）が選択される。
【００９６】
一方、あるコスト段階において、複数の正解ルートが存在すると、特定の受信時空領域の両サブ領域で閾値以上の強さの正解信号が受信される。その場合、解候補グループの選択は量子力学的な不確定性にもとづく両者の正解信号の強弱を比較して行われ、最終的に複数の正解のうちから１つが選択される。
【００９７】
最適ルート探索の過程で、コスト段階の刻みが大きすぎて、解なしの段階から複数の正解があるコスト段階にいきなり進んでしまった場合は、両段階の中間のコスト領域をさらに細かい刻みのコスト段階に分けて同様の探索を繰り返すことにより、最適のルートを探索することができる。
【００９８】
以上のように、本発明の実施形態１０に係る量子情報処理方法を用いれば、正解に到達する選択肢を次々に予知できるので、巡回セールスマン問題のようなＮＰ困難な最適化問題を多項式時間で解く非決定性チューリングマシンが実現する。
【００９９】
なお、本発明の実施形態１０に係る量子情報処理方法では、解の探索を開始する前に出題が完了している。したがって、正解信号を受信する受信時空領域が解探索問題の出題に関する原因事象を頂点とする未来光円錐に収まっているので、この量子情報処理方法が相対論的因果律に反することはない。
【符号の説明】
【０１００】
Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ３１，Ｇ３２，Ｇ４１，Ｇ４２，Ｇ５１，Ｇ５２：光子対源
Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ５１，Ｌ５２，Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ４１，Ｒ４２，Ｒ５１，Ｒ５２：光子ビーム
Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ１４，Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３，Ｍ２４，Ｍ３１，Ｍ３２，Ｍ３３，Ｍ３４，Ｍ４１，Ｍ４２，Ｍ４３，Ｍ４４，Ｍ４５，Ｍ４６，Ｍ４７，Ｍ５３，Ｍ５４：ミラー
ＢＳ１１，ＢＳ１２，ＢＳ２１，ＢＳ２２，ＢＳ３１，ＢＳ３２，ＢＳ３３，ＢＳ４１，ＢＳ４２、ＢＳ５１，ＢＳ５２：ビームスプリッタ
ＰＡ１１，ＰＡ１２，ＰＡ２１，ＰＡ２２，ＰＡ３１，ＰＡ３２：光子吸収体
Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ３１，Ｄ３２，Ｄ４１，Ｄ４２，Ｄ５１，Ｄ５２：光子検出器
ＣＣ１１，ＣＣ２１，ＣＣ３１，ＣＣ４１，ＣＣ５１：同時計数器
ＳＨ１１，ＳＨ２１，ＳＨ３１，ＳＨ４１，ＳＨ５１：シャッター
ＴＰＡ２１，ＴＰＡ２２，ＴＰＡ３１，ＴＰＡ３２，ＴＰＡ５１，ＴＰＡ５２：２光子吸収体
ＬＳ３１：レーザー光源
ＯＦＣ５１，ＯＦＣ５２：コイル状光路
ＡＷＬ：送信者Ａｌｉｃｅの世界線
ＢＷＬ：受信者Ｂｏｂの世界線
Ｏ，Ｏ６１，Ｏ７１：通信の原因事象
ｔａ１，ｔａ２，ｔａ３，ｔｂ１，ｔｂ２，ｔｂ３，Ｔｔａ１，Ｔｔａ２，Ｔｔａ３，Ｔｔｂ１，Ｔｔｂ２，Ｔｔｂ３，Ｒｔａ１，Ｒｔａ２，Ｒｔａ３，Ｒｔｂ１，Ｒｔｂ２，Ｒｔｂ３：時空領域
Ｔｒ，ＴＴ，Ｔｒ８１，Ｔｒ８２，Ｔｒ９３：送信時空領域
Ｒｃ，ＲＲ，Ｒｃ８１，Ｒｃ９１，Ｒｃ９２，Ｒｃ９３，Ｒｃ１０１１，Ｒｃ１０１２，Ｒｃ１０２１，Ｒｃ１０２２，Ｒｃ１０３１，Ｒｃ１０３２，：受信時空領域
Ｐ８１：計算の実行・非実行を選択する量子力学的確率事象
Ｗ８１，Ｗ８２，Ｗ９１，Ｗ９２，Ｗ９３，Ｗ１０１，Ｗ１０２，Ｗ１０３，Ｗ１０４，Ｗ１０５，Ｗ１０６，Ｗ１０７，Ｗ１０８：可能世界
Ｃ８１：計算
Ｃ９１，Ｃ９２，Ｃ９３，Ｃ１０１，Ｃ１０２，Ｃ１０３，Ｃ１０４，Ｃ１０５，Ｃ１０６，Ｃ１０７，Ｃ１０８：解候補の適用
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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