.feature

量子テレポーテーション

量子テレポーテーション実験がCW Ti:S レーザに突きつける高度な要求
スティーブン・ウェブスター、デイビッド・アームストロング
M スクエアレーザー社（ M Squared Laser Ltd. ）は、東京大学教授の要望きており死んでいる猫について思考実に応え低ノイズ Ti:S レーザを改良し、新たな極限に到達。

験を行い、世界の量子力学的記述を巨視的対象に適用することの不合理性をテレポーテーションという言葉を家ーザが必要になることから、古澤教授指摘した。しかし、1 世紀の実験と検証族や友人に話すと、会話はある場所かはスコットランドの M スクエアレーザーを経て、量子力学はまだミクロ世界の正ら消えて別の場所で再度現れるという社の SolsTiS を検討することになった。

しい記述であるように思われており、ようなサイエンスフィクションの再現同社は、古澤教授のような最先端の研量子力学が生み出す奇妙な結果を見てとなる可能性がある。とは言え、現在究者からの要求を知ることで、科学界われわれは驚嘆するしかない。量子状の研究は量子情報をある場所から別のの要求に応えて、クラス最先端の製品態をある場所から別の場所に転送する

場所に光の状態の形式で転送することに仕上げるために必要な洞察力が得ら

量子テレポーテーションは、そのようなに関係している。これは卓越した実験れる。

現象の1 つである。これは、東京大学

技術を必要とする画期的な科学であり、あらゆるコンポーネントに、特に量子シュレディンガーの猫の研究者が、M スクエアレーザー社のSolsTiSを用いて実際に行った。多くの状態を生成するレーザ光源に、重要な原子であろうとフォトンであろうと、分野と同様に、量子力学は独自の言語要求を突きつけている。先駆者の 1 人

個々の微細粒子を制御し検知する能力を持っているので、話を進める前に、先は日本の研究者、東京大学の古澤明教によって人は量子の世界にアクセスでずは量子世界の記述に使用される概念授である。同教授は新しいテレポーテきる。この領域では、われわれが感じてと専門用語の一部を簡単に見ておこう。

ーション技術を実施した。この技術は、いるような古典的な自然法則はもはやテレポートされた量子状態の破壊を含維持されない。正確に言うと、われわめ、従来技術の欠点の多くを解決するれが観察することを理解し記述するた

量子力学の現在の研究の多くは、量ものである。こうした前進により、量めには量子力学の法則を用いなければ子情報に関する発表となっている。情子コンピューティングなどの実用的なならない。この 2 つの世界が衝突する報が量子系の物理的状態内に、例えばアプリケーションの実現可能性が強まことはほとんどない。よく知られている電子のスピンやフォトンの偏光に含まる。実験の核心で高安定の CW Ti:S レ

ように、シュレディンガーは、同時に生れており、そのような系の間で転送で光の速度よりも速いのか？

きるという考えだ。量子情報の構成要
素は、量子ビット（キュビット）と名付けられている、これは情報の個々の単位が 0 か 1 となるコンピュータ計算に使用されるビットと同様である。1 キ
ュビットも、明確に区別できる 2 つの状態を持つが、古典的なビットとは異なり、キュビットは系の計測が行われるまではこれらの状態の重ね合わせで存在する。重ね合わせの原理は、量子力学で得られる反直観的結果の核心に
図1

量子テレポーテーションの概略図

32

2014.9 Laser Focus World Japanある。つまり、重ね合わせ状態では、物理的な系内部に含まれる情報は、同は、離れた量子系に対する計測を行う

時に 0 と 1 の状態の両方である。

ことによる、この瞬間的変化である。

2 つのキュビットを扱うとき、その量子テレポーテーション複合状態を考えることができる。これは単 なる個 別 状 態 の結 果 であるが、すでに述べたように、この場合のテ個々の状態に分解できない状態も形成

レポーテーションは、確かに奇妙では可能である。この場合、2 つのキュビッあるが、サイエンスフィクションからトが関連づけられ、エンタングルされは幾分かけ離れている。ここで問題にたと言われる。この種の関連づけは、しているテレポーテーションの場合、エンタングルメントとして知られるものであり、古典的世界に対応するもの転送されるのは物質ではなく情報であ
図2エンタングル（ EPR ）ビームの生成はない。これが「量子力学の特性である。これは、離れた場所にファクシミリを生成して、元の場所ではオリジナる」と言ったのはシュレディンガーだっ離が、光速で信号を伝送できる最大距ルが消去されるというようにテレポーた。エンタングル状態は、1 つのキュ離よりも離れていても言えることであテーションを考えるのが、恐らく適切ビットでスピンの計測が行われると、る。アインシュタインが嫌悪し、アインであろう。

ただちに第 2 の状態が決まるという性シュタイン、ポドルスキ、ローゼン、つ2 者、アリスとボブが、それぞれキ質がある。これは、2 つの状態間の距

まり EPR パラドクスと言われているのュビットを持っていて、通信に先立っ

Laser Focus World Japan 2014.933

.feature

量子テレポーテーション

ームは、ビームスプリッタで同じ確率で、反射されるか、伝送されるかのいずれかである。入力ビーム間の相対位相を特に選択する場合、出て行く状態
は 2 つの可能な結果の重ね合わせとなる、つまりⓐ X- 伝送されたスクイーズド光、Y- 反射されたスクイーズド光、ⓑ X- 反射されたスクイーズド光、Y- 伝送されたスクイーズド光。このエンタングルした状態は、EPR 状態と言われることがよくある、これは先に言及した
EPR パラドクスに倣ったものである。
図 3 ブロードバンドテレポーテーションの概略図。OPO: 光パラメトリック発振器−エンタング
ルスクイーズド状態の光源。HD: ホモダインディテクタ−光の位相と振幅（直交）を計測する。LO:
局発光−計測用の位相リファレンス。EOM: 電気光学変調器−光の位相と振幅を変調する。

東京テレポートステーション
東京大学で古澤明教授のグループが、テレポーテーションの先駆的研究て、キュビットは A と B にラベルづけ

は、彼女はもはや彼女のキュビットのを実施した。特に、同グループが EPRされ、エンタングル状態、ΨAB とし元の状態を知らないということ、つま状態のために開発したシステムは、離て用意されている。キュビット a にエりこの情報は消去されたのである。

散量ではなく、連続的である。EPR 状

ンコードされた入力状態、Ψがアリス

量子テレポーテーションは量子光学態と入力状態の両方に、光パラメトリに送信され、キュビット A とエンタンにおいて実現されたので、実験を理解ック発振器（ OPO ）が光源として使用グルされる。アリスは、自分の 2 つのするに、まずこの分野に関連する考えされている。個々の OPOは、M スクエ

キュビット、aとA、ΨaAの結合状態をの一部を簡単に見ておこう。

アレーザー社の SolsTiS出力を周波数逓計測する。可能な結果は 4 つあり、その各々がボブのキュビット、B を 4 つ

量子光学倍した青色光で励起されている。Sols­TiS は、高出力 CW Ti:S レーザである。の対応する状態の 1 つにしている。こ量子光学では、光の電界は、振幅と実験を成功させるためには、光源の強れら 4 つの状態の各々が、4 人のオペ位相に関連づけられた X と Y、フィー度ノイズが非常に低いことが不可欠でレータうちの 1 人の行動によって、元ルド - クワドラチャーズ（直交）で表さある。エンタングル状態の光源では、のキュビット状態に関連づけられていれる。量子力学の全てのことと同様に、キュビットのエンコードにフィールド・クる。アリスの計測結果が分かると、アハイゼンベルクの不確定性原理によっワドラチャを用いるが、これとは対照

リスはボブに、彼のキュビットを元のて、これら 2 つの量の不確定性の結果的に入力状態は離散量、つまりフォトンキュビットのコピーに変えるために、の境界は低くなる。スクイーズド状態でエンコードされる。時間的に離れた彼のキュビットにどのオペレータを適は、直交の一方における不確定性が、一対の光パルスが弱い励起の OPO か用すべきかを伝える。アリスの計測で不確定性原理の範囲内で他方を犠牲にら生じ、入力状態は連続パルス間の重等しく起こりうる結果は 4 つなので、してできた状態である。連続変数スキね合わせになる。交互に、シュレディンボブが自分のキュビットに適用する必ームでは、個々の粒子ではなく光ビーガーの猫の状態が伝送される。これは、要があるオペレータは、2 つの古典的ムが量子力学情報を運び、電界の直交疑似古典的コヒレント状態の重ね合わ情報ビットでエンコードできる。このスクイーズド状態はキュビットの “アッせであり、シュレディンガーが思考実験プロセスの終わりでは、ボブのキュビプ”と “ダウン” 状態に対応している。エ

で想像した状態のミクロ的状態に相当

ットはΨ状態、つまり元のキュビットンタングル状態は、50:50 ビームスプする。この思考実験では、マクロ的物の状態と同じであり、テレポーテーシリッタで直交スクイーズド状態を結合体が重ね合わせ状態に置かれている。

ョンは完了する。しかし、注意すべきすることによって生成される。入力ビ

テレポーテーションは 3 段階で行わ

34

2014.9 Laser Focus World Japan

図4

古澤研究室のテレポーテーション装置

図5

M スクエアレーザー社製 SolsTiSれる。先ず、アリスが入力ビームと彼力と出力状態の完璧な評価にある。しノイズ強度は、動作帯域全体にわたり、女のEPRビームを受け取り、これら2 つかし、不完全なスクイーズ現象により、極端に低くなければならない。のキュビットの結合状態を計測する。

忠実度が制約を受けている。ハイブリ

ボブが、古典的チャネルを通してアリットスキームを利用することで古澤教スの計測を受け取り、次に自分の EPR

授と共同研究者は初めて、フォトニック

上述のテレポーテーション実験では、ビームに対して操作を行い、入力状態キュビットの完全に決定論的な無条件レーザ光源の強度ノイズが可能な限りを再構成する。最後に、出力状態を解の量子テレポーテーションを実証した。

低く、研究者がショットノイズ限界に析して伝送の忠実度を判断する。実験

このハイブリッドスキームでは、連続近いところで操作できることが重要でから、入力キュビット状態の広いサン変数エンタングルメントを用いて個別ある。従来の CW Ti:S レーザは密閉さプルでは、伝送忠実度は 79 〜 82％のの可変キュビットをテレポートする。

れておらず、ボールとスプリングミラー範囲であることが示されている。後選フォトニックキュビットを伝送するマウントであるので、そのような厳し択は行われておらず、古典的テレポーには、テレポータはブロードバンドモい要求は達成できない。M スクエアレテーションが達成できる最大忠実度をードで操作する必要がある。10kHz 〜ーザー社のエンジニアリングチームは、上回っている。したがって、このテレ

10MHz で OPO 縮退からの周波数オフ

このような要求の厳しいアプリケーシポーテーションが、いずれも量子であセットの範囲となる。これは、ナロー

ョンに向けたレーザの開発で多数の経り、無条件であることが示されている。

バンド、シングル周波数オフセットで験を積んでおり、これらの要求を満た

さらに、東京大学のチームは、シュレ操作した従来のテレポーテーションスすようにCW Ti:Sレーザを再設計した。

ディンガーの猫の状態の量子テレポーキームと比べると、技術課題は非常に密閉されたハンズフリーのレーザキャテーションを実証している。猫の状態大きい。技術的ノイズは、バランストビティをインバーのベースプレートには、普遍的な量子情報処理では重要でディテクタを利用することで大幅に抑設置して安定性を高め、ボールとスプあり、特に障害耐性のある伝送に有用制できたが、この抑制は完璧ではなく、リングミラーマウントは、InvarianTとなリソースとして重要であることが示

残留ノイズがまだ検出段階で入ってくいう独自の光学マウンティング技術でされている。

る。また、ノイズはボブのシステムに置き換えた。この画期的なアプローチ

シングルフォトンのテレポーテーショも入ってくる。こちらでは、入力状態の結果は、最高レベルの振幅安定性でンを実証する以前の実験は、2 つの不は、光ビームの位相と振幅に基づいてある。これは、要求されるパフォーマ利な状況に苦しんだ。低い計測効率と操作し読み出す。このため、装置に対ンスに制約された厳しいショットノイ

テレポートされたキュビットの破壊でする技術的要求は厳しい。特に、光のズを実現している。

超安定光源ある。目的は、このスキームを成功させることにあった。連続変数テレポーテーションの強みは、エンタングル状態をオンデマンドで利用できることと、入著者紹介
スティーブン・ウェブスター (Dr Stephen Webster) は M スクエアレーザー社のサイエンティフィッ
クプロダクトスペシャリスト、デイビッド・アームストロング (Dr David Armstrong) はマーケティ
ングダイレクター。e-mail: stephen.webster@m2lasers.com URL: www.m2lasers.com

LFWJ

Laser Focus World Japan 2014.935