三者間のエンタングルメントの結果は、より優れた量子コードを示唆している

先月、3人の科学者が、量子世界における最も直感に反しつつも重大な事実の一つを証明した研究により、ノーベル物理学賞を受賞しました。彼らは、もつれた2つの量子粒子は、たとえ粒子が遠く離れていても、単一の系、つまり互いに不可分に絡み合った状態にあるとみなさなければならないことを示しました。実際には、この「非局所性」現象は、目の前にある系が数千マイルも離れた場所にあるものから瞬時に影響を受ける可能性があることを意味します。

量子もつれと非局所性により、コンピュータ科学者は解読不可能なコードを作成できます。デバイス非依存の量子鍵配送と呼ばれる技術では、一対の粒子をもつれさせてから2人に配布します。粒子の共通の性質はコードとして機能し、従来の暗号技術を破ることができる量子コンピュータからさえも通信を安全に保護します。

しかし、なぜ2つの粒子だけで済まされるのでしょうか？理論上、エンタングルメント状態を共有できる粒子の数に上限はありません。理論物理学者たちは数十年にわたり、3方向、4方向、さらには100方向の量子接続を構想してきました。これは、完全に分散化された量子保護されたインターネットを実現するようなものです。そして今、中国の研究所が、3つの粒子間で同時に非局所的なエンタングルメントを実現したとみられ、量子暗号の強度と量子ネットワーク全体の可能性を高める可能性を秘めています。

「二者間の非局所性だけでも十分におかしい」と、ニューオーリンズ大学の量子情報理論家ピーター・ビアホースト氏は言う。「しかし、三者間の非局所性の場合、量子力学はそれをさらに超えることを可能にできることが判明したのだ。」

物理学者はこれまでに2つ以上の粒子をエンタングルメントしたことがある。記録は14個から15兆個とされ、聞く人によって異なる。しかし、これらはせいぜい数インチしか離れていない、ごく短い距離でのエンタングルメントだった。暗号に複数粒子のエンタングルメントを役立てるには、科学者は単純なエンタングルメントの域を超え、非局所性を証明する必要がある。「達成すべきハードルは高い」と、カナダ、ウォータールーにあるペリメーター理論物理学研究所の量子理論学者、エリー・ウルフ氏は述べた。

非局所性を証明する鍵は、一方の粒子の特性がもう一方の粒子の特性と一致するかどうかを検証することだ。これは、エンタングルメントの特徴である。これは、他の何物も影響を与えられないほど十分に離れた状態で検証する。例えば、エンタングルメントされたもう一方の粒子に物理的に近い位置にある粒子は、もう一方の粒子に影響を与える放射線を放出するかもしれない。しかし、もし両者が1マイル（約1.6キロメートル）離れており、その距離がほぼ瞬時に測定されるなら、両者はエンタングルメントによってのみ結びついている可能性が高い。実験者たちは、ベル不等式と呼ばれる一連の方程式を用いて、粒子の結びついた特性に関する他のすべての説明を排除する。

3つの粒子の場合、非局所性を証明するプロセスは似ていますが、除外すべき可能性がより多くあります。そのため、3つの粒子の非局所性を証明するために科学者が乗り越えなければならない測定と数学的なハードルは、どちらも複雑になります。「創造的なアプローチ方法を考え出す必要があります」とビアホルスト氏は述べ、実験室で適切な条件を作り出す技術も必要です。

8月に発表された研究結果において、中国合肥市の研究チームは重要な飛躍を遂げました。まず、特殊な結晶にレーザーを照射することで3つの光子を量子もつれさせ、研究施設内の数百メートル離れた異なる場所に配置しました。次に、各光子のランダムな特性を同時に測定しました。研究者たちは測定値を解析し、3つの粒子の関係は3方向の量子非局所性によって最もよく説明できることを発見しました。これは、これまでで最も包括的な3方向非局所性の実証となりました。

技術的には、何か他の原因が結果を引き起こした可能性がわずかながら残っています。「まだいくつか抜け穴が残っています」と、研究の筆頭著者の一人である顧雪梅氏は述べています。しかし、粒子を分離することで、データに対する最も明白な代替説明である物理的な近接性を排除することができました。

著者らはまた、ここ数年で注目を集めている三方向非局所性の新たな、より厳密な定義に基づいて実験を行った。過去の実験では光子を測定する装置間の連携が認められていたが、顧氏の3つの装置は通信できなかった。その代わりに、粒子の測定はランダムに行われた。この制約は、通信が侵害される可能性のある暗号シナリオにおいて有用だと、スイス連邦工科大学チューリッヒ校の量子物理学者レナト・レナー氏は述べている。（以前のパラダイムを用いて、カナダのチームが2014年に遠隔地における三方向非局所性を実証した。）

新しい定義に従う研究者たちは、これほど遠く離れた粒子をもつれさせることに成功したので、今度はその距離をさらに広げることに注力することができます。

「これは、より長距離でより大規模な実験を行うための重要な足がかりだ」とアリゾナ大学の量子情報理論家、サイカット・グハ氏は語った。

最も直接的な点として、この技術はより広範な量子鍵配送を可能にするとレナー氏は述べた。もつれ粒子を暗号化の鍵として用いれば、物理学者が非局所性を検証するために用いるのと同じベル不等式によって、秘密が完全に安全であることを保証できる。そうすれば、たとえメッセージの送受信に用いるデバイスが最悪の敵によって悪意を持って操作されたとしても、量子鍵を解読することはできない。秘密は、あなたともう一方のもつれ粒子を持つ者の間のみに留まるのだ。

量子鍵配送は「人々が最も期待しているもの」だとレナー氏は述べた。昨年、3つの別々のグループが、まだ小規模ではあるものの、このプロトコルを実験室で実証した。だからこそ、三方向の非局所性が非常に重要になるのだ。「原理的に、暗号の威力ははるかに高まります」。なぜなら、こうした三方向の接続は、いくつかの双方向リンクを寄せ集めるだけではシミュレートできないからです。

「これは根本的に新しいレベルの現象だ」とビアホルスト氏は語り、デバイスに依存しない暗号化を基本的な双方向通信から秘密を共有するネットワーク全体に拡張できる可能性があると述べた。

暗号技術に加え、マルチパーティ・エンタングルメントは他の種類の量子ネットワークにも可能性を開きます。グハ氏のような研究者たちは、通常のインターネットが一般的なデバイスを接続するのと同じように、量子コンピュータを接続できる量子インターネットの開発に取り組んでいます。このシステムは、様々な距離にある様々なレベルのエンタングルメントを持つ数百万個の粒子を接続することで、多数の量子デバイスの計算能力を結集します。グハ氏によると、このようなシステムに必要な個々の構成要素はすべて揃っていますが、それを組み立てるのは「非常に大きな技術的課題です」とのことです。この目標を念頭に、オランダの科学者たちは、2つの別々の研究室にまたがるネットワークで3つの粒子をエンタングルメントすることに成功しました。ただし、グ氏のチームとは異なり、彼らは非局所性の実証には焦点を当てていませんでした。

三者間のエンタングルメントに関する研究は、「単なる興味深い現象」として始まったとビアホルスト氏は述べた。「しかし、量子力学によって可能になり、他の方法では不可能なことが実現できれば、それは予期せぬ方法で活用できる、あらゆる新たな技術的可能性を切り開くことになるでしょう。」

今のところ、いくつかの研究室が、非常に接近した粒子間の四方向非局所性を実証している。「現時点では、これらの実験はかなり推測の域を出ません。多くの仮定を立てなければなりません」とビアホルスト氏は述べた。

三者間実験も依然としていくつかの仮定に依存している。ノーベル賞受賞者たちは半世紀をかけて二者間実験におけるこうした抜け穴を排除し、ついに2017年に成功した。しかし、それ以来、技術的には大きく進歩したとレナー氏は述べた。

「これまで何十年もかかっていたことが、今では1年かそこらで起こるだろう」と彼は語った。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。