量子インターネットが現実世界で最初のテストに合格

私たち全員が知っていて使用しているインターネットは、あたかもハッカーが傍受してコピーできる手紙を送っているかのように、光ファイバーケーブルを介して物理情報 (1 と 0) を送信します。 その「量子姉妹」は、物理法則を使用して、量子ビットと呼ばれる絡み合った粒子の状態を「テレポート」します。 これは、情報が中間の物理パスに沿って移動しないことを意味し、侵入者がメッセージを盗聴しようとすると、粒子は即座に状態を変更し、情報を破壊し、ネットワークを完全にハッキングできなくなります。それが大きな利点です…

しかし、量子インターネットには問題があります。構築方法がまだよくわかっていないわけではありません。相互に通信できる量子コンピューターさえ必要ありません。問題はもっと日常的なもの、つまりケーブルです。量子情報を運ぶ光子は非常に繊細です。 小さな外乱がその状態を変える可能性があります。 また、従来のインターネット信号は振動、温度変化、光の偏光のわずかな変化などをあまり心配することなく光ファイバーを通過できますが、量子信号はまさに保存する必要があるものを失う可能性があります。

したがって、将来の量子インターネットを構築する際の最大の課題の 1 つは、絡み合った粒子を生成することだけではありません。それは、彼らに現実世界を生き残らせることから成ります。さて、トーマス・ゲリット率いる国立標準技術研究所（NIST）の科学者チームは、 特に厳しいテストに合格しました。彼は、62キロメートルの従来の光ファイバーを通してもつれ合った光子を分散させることに成功しました。 その大部分は電柱に設置され、環境に直接さらされています。この結果は、Journal of Optical Communications and Networking に掲載されました。

これは量子もつれでこれまでに達成された最大距離ではない（その記録は衛星とより制御された環境を使用した中国人のものである）。しかし、おそらく、これは、いつか研究室を離れることができるネットワークを構築するための最も興味深いデモンストレーションの 1 つです。ゲリット氏のチームが使用したファイバーは、NIST の施設とメリーランド大学を接続しました。そして、それは完全に管理された状態で埋葬されたわけではありません。 ルートの重要な部分は屋外を走り、道路の隣の柱に吊り下げられました。 つまり、光子は振動、風、温度変化、交通と闘わなければならなかった。鳥の動きでさえ、空中繊維の機械的乱れに寄与する可能性があります。

従来の通信では、これらの妨害の多くは実際には無関係です。量子通信に関しては、いいえ。 それが運ぶ情報は、光子の偏光、つまり光の電場の方向にエンコードされていました。 そして、ファイバーは、移動したり温度が変化したりすると、その偏光をわずかに変更することができます。

その結果は、誰かがコンパスを置いたテーブルを絶えず揺すりながら、コンパスを完璧な方向に保とうとするのと同じです。「量子ネットワークシステムの応力実証です – 研究の共著者である Ycheng Shi 氏は言う –私たちはシステムを非常に騒がしい環境に置きましたが、それでも動作しました。」

しかし2 つの光子がもつれとは正確には何を意味しますか??ここに、量子物理学における最も奇妙なアイデアの 1 つが現れます。 2 つの粒子は絡み合うことがあり、物理的に分離されている場合でも、それらの量子状態は相関したままになります。どちらかを測定すると、もう一方を測定したときに得られる結果に関連する情報が得られます。これは、ある場所から別の場所に即座にメッセージを送信できるという意味ではありません。 もつれによって光速度が侵されることはありません。 しかし、それは将来の量子ネットワークにとって非常に価値のあるもの、つまり異なる場所間で量子状態を共有する方法を提供します。

そこで、いわゆる量子インターネットが登場します。量子インターネットは、映画を見たり、電子メールを送信したり、ビデオ通話をしたりするために現在使用されているインターネットに代わるものではありません。あなたの目標は次のとおりです 量子コンピューター、センサー、その他の量子デバイスを接続し、それらの間で量子情報を共有できるようにします。

その最もよく知られたアプリケーションの 1 つは、安全な通信です。量子状態の特性を使用して、物理法則自体に基づいたセキュリティを持つ暗号キーを生成および配布できます。しかし、他の可能性もあります。このようなネットワークでは、 異なる場所にある量子コンピューターの接続を可能にする また、場合によっては、単一の機器として機能する分散型測定システムを使用することもあります。

たとえばゲリッツ氏のチームは、量子ネットワークを介して別々の望遠鏡を接続し、連携して特定の測定を実行できる将来の可能性を指摘している。そして、 責任者が制御できず、実験を台無しにする可能性のある条件下で初めてそれが達成された。 しかし、それはうまくいきました。古典的なビットはすでに環境内のあらゆるノイズに耐えることを学んでいましたが、Gerrits のチームは量子ビットにも同じことをするように教えました。