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中学レベルの数学で量子テレポーテーションを理解してみよう

中学レベルの数学で量子テレポーテーションを理解してみよう

今回は林田さんのブログ『misatopology』からご寄稿いただきました。
※すべての画像が表示されない場合は、http://getnews.jp/archives/404198をごらんください。

中学レベルの数学で量子テレポーテーションを理解してみよう

10月9日にノーベル物理学賞が発表*1されて、量子コンピューターへの関心が高まっていますね。今回お話しする量子テレポーテーションもまた、Wineland氏やHaroche氏らの貢献した装置やしくみを使用して実験します。

*1:「【2012年ノーベル物理学賞】量子光学から量子コンピューターまで」 2012年10月09日 『misatopology』
http://misatopology.com/2012/10/09/quantum_optics/

量子テレポーテーションとは、前回*1ご紹介した量子の不思議な性質を利用して情報を伝達できるしくみのこと。ファックスのように、送られた量子情報が遠隔の場所にコピーされて届くのです。極秘情報も安全に送信でき、量子コンピューターにも利用できると期待されています。

量子テレポーテーションでは、前回お話しした量子の性質に加え、さらに不思議な現象がおきます。その現象とは、ある特殊な量子と量子の間では情報が瞬時に送られ、「情報は光速を超えて送ることはできない」という法則を破ってしまう、というものです。(このため、アインシュタインは「薄気味悪い(spooky)」といって量子力学を嫌いました。)

実際のところ、通信自体が超光速になるわけではありません。量子テレポーテーションでは、送られた情報の解読のために、別経路の従来の(光などの)通信による「鍵」が必要になるからです。

しかしこの量子テレポーテーションが実験で実証されて、現在は実用化にまで手が届きそうなところまできました。量子の不思議な現象も実証されたことになります。

さて、本記事はちょっと長めです。全部読んでいただければ、どうやって量子をテレポートするのか理解できます。ちょっと頭のエクササイズをしてみたい方は紙とペンをご用意いただいて、ロジックをフォローしてみてください。(えほん素粒子論第二弾「タウ氏と小悪魔ニュートリノ」*2のテーマも量子テレポーテーションです。現時点ではまだ完結していませんが、よければフォローください^^)

*2:「えほん素粒子論「タウ氏とこいびとニュートリノ」」
http://misatopology.com/picturebook_tauslove/

量子テレポーテーションの概要はこう

まずニュー君とリノちゃんの2人がいたとしましょう。二人はそれぞれ、ある特殊な量子を持っています。この二つの量子は、「もつれ」あっていて、一方に対する操作が、他方にも影響を与えます。(二つがどれだけ遠くに離れていても、瞬時に影響は伝達されるのです!)

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さて、ニュー君はもつれた量子の一方とともに、地球の外に旅行にいきました。リノちゃんは、ある秘密をニュー君に送ろうと思います。その秘密の情報を持った量子を、リノちゃんの手元にあるもつれた量子と一緒に測定します。

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その測定情報を、惑際電話でニュー君に伝えます。ここで、送らなければならない情報は2ビット(00, 01, 10, 11)。つまり、1か2か3か4かという情報です。誰かが電話を盗聴していたところで、そこに送られている情報はまるでありません。

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ニュー君はリノちゃんから受けた情報を元に、手元にあるもつれ量子にある操作を行います。すると、ニュー君のもつれ量子はリノちゃんの秘密量子と全く同じ状態になるのです。

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つまり、情報を送るのに、情報自体を送る必要はなく、2ビットの測定結果を送ればよいということになります。

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