●ダイヤモンド中の単一スピンと光子の●○もつれ吸収：量子テレポーテーション
新原理の実証子はなんらかの方法でもつれた状態に

ダイヤモンド中の単一スピンと光子のもつれ吸収：量子テレポーテーション新原理の実証しておく。ここで，A の電子を上の状態にしておくと，そのうち下に落ちて下の状態（ ↑と↓ ）になると同時に同じ状態（ ↑と↓ ）の光子を発光する。
これがいわゆる光子と電子の量子もつれ状態である。つぎに，この発光した光子を光ファイバーを介して B の電子小坂英男にぶつける。もし B の電子が A から来た光子と同じ状態なら吸収され，上の量子メモリーとなるダイヤモンドに内る。このためには，光子が届く100 km状態になる。この瞬間に A と C の電子在する量子もつれの利用により，発光ごとに配置した量子ノード間に量子もはもつれた状態になる。結果的に，最と吸収という自然現象だけで光子と電つれを生成し，量子ノード内で量子も初にあった B と C のもつれが，A と C子の量子もつれを検出し，量子通信やつれを検出する必要がある。のより遠くのもつれに拡大したことに量子計算に用いられる量子テレポー

私たちの考案した量子中継方式は特なる。このことを，あらかじめ C の電テーションを可能にする新原理を実証

殊な光源や検出器に頼ることなく，量子ともつれていた B の電子が A に瞬間した。これにより，物理法則で安全性子メモリーとなる電子そのものに内在移動したように捕らえると，量子テレの保証された量子通信網の飛躍的長距する量子もつれを利用することによポーテーションとなる。実際の量子中離化・高速化に道が開けてきた。

り，量子もつれの生成と検出を行う。

継では，上記の過程を BC を中心とし量子もつれ生成は発光した光子と残って左右に延長していく。この方式で量子通信は，基本的な物理法則であるた電子が自然にもつれるように，または，中継点での量子メモリーは 1 区間

量子力学の性質を利用し，盗聴者の計

量子もつれ検出は光子と電子がもつれ分の光の往復時間だけ状態を保持して算能力や技術レベルに依存しない強固て吸収されるように工夫を行う。このいればよく，中継区間の距離を短くすな安全性を保証する暗号通信技術であような自然現象の利用で，特別な量子ればするほど，光子も電子も損失がなる。量子でできた暗号鍵を自動配信操作の必要もなく量子テレポーテー

くなり効率の高い量子通信が行えるの（ QKD ）することで，ネット上の個人ションによる量子中継が行えることをが特徴である。

情報を安心してやり取りできるように実験によって明らかにした。本方式でつぎに実際に行った実験の説明を行なる。すでに光子が届く 100 km 程度

は，1000 km の量子通信路 1 回線で毎う 。実験にはダイヤモンド中の欠陥の距離では東京 QKD ネットワークな秒 100 メガビットの情報が送信でき，の一種である窒素空孔欠陥（ NV 中心 ）ど実用化へ向けた運用試験が進められ量子中継のない場合に比べ 18 桁ものを用いた。その電子はスピンとよぶ状ているものの，数 100 km 以上の都市速度向上につながる。

態をもち，1 s 近く量子状態を保持で間ネットワークを構築する決定的な方法が見つかっていなかった。たとえ■ 吸収による量子テレポーテーション

1）

きると同時に光子の吸収効率も高く，量子通信の中継用量子メモリーとしてば，従来の方法で 1000 km の量子通動作原理を示したのが〈図 1〉である。

最適である。電子スピンの↑と↓が，信を行おうとすると，1 回線でおよそA，B，C は離れた場所にある 3 つの電先に説明した量子ビットの 2 状態に対1000 年に 1 ビットの情報しか送信でき子の状態を示している。いずれの電子応する。また，これらの 2 状態どちらない。この制約を克服するためには，も，下にある 2 つが量子ビットの 2 状からも光子の吸収で遷移できる第 3 の量子テレポーテーションとよぶ原理で態（↑と↓）に対応している。この 2 状状態（ A 2 ）が存在する〈 図 1 〉。あらか

光子が一度では届かない遠方に量子状態をつなぐ第 3 の状態（A 2 ）が高いエネ

じめ電子の状態を光照射でさまざまな態を再生する量子中継が不可欠であルギーにある。あらかじめ B と C の電状態に設定し，これとは独立に設定し

2000-000̲04̲news+初.indd 2

パリティ

Vol.30 No.09 2015-09

15/07/09 17:59

発光と吸収だけで量子テレポ？

AB
A2〉

CA2〉

光子たさまざまな状態の光子をぶつけたと発光

きの吸収確率を測定した〈図 2〉。その結果，電子と光子がもつれた状態にあ↓〉A2〉
量子もつれ吸収↑〉

↓〉

↑〉

↓〉

↑〉

電子るときにのみ吸収が起こることを実証した。この動作原理の源となるのは，物質に内在するスピン軌道相互作用という量子もつれを導く力である。先に示された発光による光子と電子の量子もつれ生成も同様の力を利用しているが，今回発光の逆過程である吸収でも，量子もつれが検出できることを示したことには大きな意義がある。
本実験結果は，電子そのもののもつ〈図 1〉発光と吸収を用いた量子テレポーテーションの動作原理
ダイヤモンド A から発光した光子は，ダイヤモンド B に吸収されることで，ダイヤモンド C への量子テレポーテーションが完了する。

もつれの力を引き出すことにより，従来の量子中継である「 たまたまつながる 」確率的中継方式から，「 確実につながる 」決定的中継方式に転換するた
ダイヤモンドが光子と電子のもつれを仲立ちめの鍵となる。いったん核となるもつれをつくっておけば，後はただ待つだ
けで光子の発光と吸収をくり返し，光電子＋1〉

ダイヤモンド光子＋σ 〉

子が届かないような遠距離にも暗号の鍵となる量子状態を再生できるようになる。情報通信は盗聴だけでなく，さまざまなサイバー攻撃の危機にさらさ

−−1〉

σ 〉
量子もつれ検出れており社会的問題になっているが，国家的あるいは世界的な規模の量子通

0.50.4＾
M 0.3

信ネットワークを構築できれば，物理0.2
0.10＋法則によって安全性が保証された安心〈〈 −1σ−〉 −〈 −1 ，〉，＋σ＋σ＋ 〉〈1， ，σ− 〉＋ 1，σ−＋1
σ1，，＋1
σσ＋−1，−で健全な情報化社会を継続的に発展させることができる。
★ ★ ★
本研究は情報通信研究機構（ NICT ）高度通信・放送研究開発委託研究，最先端研究開発支援プログラム（FIRST）ならびに〈図 2〉ダイヤモンドを用いた電子と光子の量子もつれ検出の概要

科学研究費補助金基盤研究 A（ 課題番号

ダイヤモンドに内在する量子もつれ機構を利用し，電子と光子の量子もつれを検出。ほぼ完全な量子もつれ検出を実験で実証。

24244044 ）の支援のもとに行われました。なお，NICT 委託研究は日本電信電話株式会社（NTT）物性科学基礎研究所・清水薫主幹研究員，国立情報学研究所（ NII ）
・根本香絵教授，大阪大学・水落

パリティ

Vol.30 No.09 2015-09

000-000̲04̲news+初.indd 3憲和教授，東京大学・中村泰信教授との共同研究です。実験を行った新倉菜恵子
研究員に感謝いたします。

参考文献
1） H. Kosaka and N. Niikura: Phy. Rev. Lett.
114, 053603（2015）.

3

15/07/09 17:59