量子通信はより速く伝送できる ― それは単なる神話ではない

量子コンピュータはまだ夢のようですが、量子通信の時代は到来しました。パリで行われた新たな実験により、量子通信が従来の情報伝送方法よりも優れていることが初めて実証されました。

「有用なタスクを実行するために2者が共有しなければならない伝送情報に量子優位性があることを初めて実証した」と、ソルボンヌ大学の電気技師で、パリ・ディドロ大学のコンピューター科学者イオルダニス・ケレニディス氏、ニラジ・クマール氏とともにこの研究成果の共著者であるエレニ・ディアマンティ氏は述べた。

クアンタマガジン

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。

量子コンピュータは、物質の量子的性質を利用して情報を符号化する技術であり、コンピューティングに革命をもたらすと広く期待されている。しかし、その進展は遅々としている。エンジニアたちが初歩的な量子コンピュータの構築に尽力する一方で、理論計算機科学者たちはより根本的な障害に直面している。それは、量子コンピュータが設計目的としているタスクを従来のコンピュータが決して実行できないことを証明できていないということだ。例えば、この夏、テキサス州の10代の若者が、長い間量子コンピュータでしか高速に解けないと考えられてきた問題が、従来のコンピュータでも高速に解けることを証明した。

しかし、計算ではなく通信の領域においては、量子アプローチの利点は明白です。10年以上前、コンピュータ科学者たちは、少なくとも理論的には、特定のタスクにおいて量子通信が従来のメッセージ送信方法よりも優れていることを証明しました。

「これまでは主に計算タスクに注目してきました。コミュニケーションタスクでは、その利点が証明できるという大きな利点があります」とケレニディス氏は述べた。

2004年、ケレニディス氏と他の2人のコンピュータ科学者は、ある人が別の人に情報を送信し、その人がある質問に答えるというシナリオを構想しました。研究者たちは、量子システムであれば、従来のシステムよりも指数関数的に少ない情報量でこのタスクを達成できることを証明しました。しかし、彼らが構想した量子システムはあくまで理論上のものであり、当時の技術をはるかに超えるものでした。

「この量子優位性は証明できたが、量子プロトコルを実際に実装するのは困難だった」とケレニディス氏は語った。

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この新たな研究は、ケレニディスらが想定したシナリオの修正版を検証するものである。論文で取り上げられている問題は、アリスとボブという2人のユーザーに関わる。アリスは番号の付いたボールのセットを持っている。それぞれのボールはランダムに赤または青に色分けされている。ボブは、ランダムに選ばれた特定のボールのペアが同じ色か異なる色かを知りたいと考えている。アリスは、ボブが質問に答えられるよう、可能な限り最小限の情報だけをボブに送りたいと考えている。

この問題は「サンプリングマッチング問題」と呼ばれています。暗号技術やデジタル通貨において、ユーザーは必ずしも自分の知っていることすべてを明かすことなく情報を交換したいと考えることが多いため、この問題は大きな意味を持ちます。また、量子通信の優位性を示すのにも適しています。

「『1ギガバイトの映画か何かを送って、それを量子状態にエンコードしたい』と言えば、量子優位性を見出せるとは思えません」と、カリフォルニア工科大学のコンピューター科学者、トーマス・ヴィディック氏は述べた。「もっと繊細なタスクに着目する必要があります」

マッチング問題を古典的に解くには、アリスはボブにボールの数の平方根に比例する量の情報を送る必要があります。しかし、量子情報の非正統的な性質により、より効率的な解法が可能になります。

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新たな研究で使用された実験装置では、アリスとボブはレーザーパルスを介して通信します。各パルスは1つのボールを表します。パルスはビームスプリッターを通過し、半分はアリスに、残りの半分はボブに送られます。パルスがアリスを通過すると、アリスはレーザーパルスの位相と呼ばれるものをシフトさせ、各ボールに関する情報（赤か青か）をエンコードすることができます。

一方、ボブは自分が関心のあるボールのペアに関する情報を、自分のレーザーパルスの半分にエンコードします。その後、パルスは別のビームスプリッターに収束し、そこで互いに干渉します。2組のパルスが互いに干渉する方法は、各パルスの位相のずれ方の違いを反映しています。ボブは近くの光子検出器で干渉パターンを読み取ることができます。

ボブがアリスのレーザーメッセージを「読む」瞬間まで、アリスの量子メッセージはどんなボールペアについてもどんな疑問にも答えることができます。しかし、ボブは量子メッセージを読む際にそれを破壊し、たった一つのボールペアに関する情報だけを取り出してしまいます。

量子情報のこの特性、つまり、様々な方法で読み取れる可能性を秘めているものの、最終的には一方向にしか読み取れないという特性は、サンプリングマッチング問題を解くために必要な情報量を劇的に削減します。アリスがボブに質問に答えられるようにするために100ビットの古典ビットを送る必要がある場合、彼女は同じ目的を約10量子ビット、つまり量子ビットで達成できます。

「本物の量子ネットワークを構築しようとするなら、これは原理実証のようなもので、必ず行う必要がある」と、コロラド州ボルダーにあるJILAで量子技術を研究する物理学者のグレアム・スミス氏は語った。

この新たな実験は、古典的な手法に対する紛れもない勝利と言えるでしょう。研究者たちは、問題を解くために古典的な手法でどれだけの情報量を伝送する必要があるかを正確に把握した上で実験に臨みました。そして、量子的な手法を用いることで、はるかに無駄のない方法で問題を解けることを紛れもなく実証しました。「この論文では、人々が自分たちのやっていることが古典的な手法では難しいことを確実にするために真剣に努力し、その上で量子的な手法を用いて難しいことを実行しているのが見て取れ、素晴らしいと思います」とスミス氏は述べています。

この結果は、コンピュータサイエンスにおける長年の目標、すなわち量子コンピュータが古典コンピュータよりも優れていることを証明するための新たな道を示唆しています。このような量子の「優位性」は、純粋に計算の領域では証明が困難でしたが、多くの重要な問題は単なる計算だけにとどまりません。

「コンピューティング能力と通信能力を組み合わせ、この2つを統合することで、量子優位性を証明しやすくなるだろう」とケレニディス氏は語った。

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