ハイブリッド量子テレポーテーション

量子力学の原理を応用することで、究極の大容量光通信や、特定の問題を超高速で解く量子コンピューターが実現できる。そのような量子情報処理を構築する上で中心的な役割を担うのが量子テレポーテーションである。量子テレポーテーションとは、送信者から離れた場所にいる受信者へ、エンタングルメントと古典通信を用いて量子情報を送る手法である。特に、光を用いた量子テレポーテーション技術は各種量子通信プロトコルにおいて不可欠であり、また光の量子テレポーテーションをベースとした量子論理ゲートを用いれば光量子コンピューターを構築することもできる。

1993年に初めて提案された後[1]1997年にオーストリアの研究グループが初めて光量子ビットのテレポーテーションを成功させた[2]。しかし、この手法にはいくつか欠点があり、光量子情報処理への応用上の制約となっていた。欠点の1つは転送効率が低いことであり、1%以下と推測される。この原因は、エンタングルメントの生成プロセスや、2つの光子を合わせた射影測定が確率的にしか実現できないためである。この手法のもう1つの欠点は、テレポーテーション後の出力量子ビットを測定することで成功事象を事後選択的に選び出さなくてはならないことである[3]。この測定によって転送後の量子ビットは破壊され、その後の情報処理に利用することができない。この後も多数の関連実験が行われたが、ほぼ全てが以上で述べたものと同じ欠点を持っていた。

2013年、我々は世界で初めて光量子ビットの決定論的な量子テレポーテーションを実証することに成功した[4]。従来の確率的な手法とは異なり、この実験では光量子ビットが各試行で必ずテレポートされる。更に、我々の手法では成功事象を事後選択する必要もない。この実験で従来の課題を克服する上で鍵を握ったのは、光量子ビットと連続量量子テレポーテーション[5,6,7]を組み合わせた「ハイブリッド技術」である。連続量量子テレポーテーションは、1997年に初めて実証された手法で[7]、状態を決定論的に転送できるという強みを持つ。この強みの理由は、波のエンタングルド状態をオンデマンドに準備できる上、2つの波を合わせた完全な射影測定が実現できるからである。これまで長い間、連続量量子テレポーテーションは光波の振幅や位相の情報をテレポートするために用いられてきた。しかし、技術的課題によって光量子ビットへの適用は難しかった。この原因は、一般的な光量子ビットはパルス波ベースで生成され、広い周波数帯域を持つのに対して、連続量量子テレポーテーション装置は連続波ベースで、元々は狭いサイドバンド周波数成分のみを転送可能な装置であるからである。そこで、我々は広帯域な連続量量子テレポーテーション装置[8]と、そのテレポーテーション装置に最適な狭帯域の量子ビット[9]を開発し、これらの革新的技術を組み合わせることで技術的ハードルを克服した。更に、我々は連続量量子テレポーテーション装置のゲイン調整機構を用いて、量子ビットの情報を忠実に転送できることを見出した[10]

このハイブリッド技術の実現により、事後選択のない決定論的な光量子ビットの量子テレポーテーションが可能となった。4種類の量子ビットに対して、7982%の転送精度(忠実度)が得られ、いずれもテレポーテーションの古典限界を上回った。この成果は、光の量子テレポーテーションの研究領域において、初の実験から16年の時を経て実現した画期的なブレイクスルーであると言える。我々の成果によって、量子ビット・連続量の双方の課題を克服する可能性を秘めたハイブリッド量子情報処理の進展が加速することに期待したい。

1 ハイブリッド量子テレポーテーションの概念図。単一光子ベースの量子ビットと、光の波の状態を転送する連続量量子テレポーテーションを組み合わせる。

参考文献

[1] C. H. Bennett et al., Physical Review Letters 70, 1895 (1993).

[2] D. Bouwmeester et al., Nature, 390, 575 (1997).

[3] S. L. Braunstein and H. J. Kimble, Nature 394, 840 (1998).

[4] S. Takeda et al., Nature 500, 315 (2013).

[5] L. Vaidman, Physical Review A 49, 1473 (1994).

[6] S. L. Braunstein and H. J. Kimble, Physical Review Letters 80, 869 (1998).

[7] A. Furusawa et al., Science 282, 706 (1998).

[8] N. Lee et al., Science 332, 330 (2011).

[9] S. Takeda et al., Physical Review A 87, 043803 (2013).

[10] S. Takeda et al., Physical Review A 88, 042327 (2013).