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光子の発光と吸収だけで量子テレポーテーションを可能にする新原理を実証(横浜国立大学研究)

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 横浜国立大学のプレリリースによると、小坂英男教授率いる研究チームが、光子の発光と吸収だけで量子通信や量子計算に用いられる量子テレポーテーションを可能にする新原理を実証したそうだ。

 今回の成功は、量子メモリー素子となるダイヤモンド中の単一欠陥の電子に内在する量子もつれを利用し、発光と吸収という自然現象だけで光子と電子の量子もつれを検出した画期的な発見であるという。

 量子テレポーテーションは、古典的な情報伝達手段と”量子もつれ ” 効果を利用して離れた場所に量子状態を転送することである。テレポーテーションという名前であるものの、粒子が空間の別の場所に瞬間移動するわけではない。量子もつれの関係にある2つの量子のうち一方の状態を観測すると瞬時にもう一方の状態が確定することからこのような名前がついた。

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 今回用いられた手法とは従来の方法とは全く異なる動作原理に基づく新しい量子中継方式で、特殊な光源や検出器に頼ることなく、量子メモリーとなる電子そのものに内在する量子もつれを利用することにより、量子もつれの生成と検出を行うというものだ。


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 研究チームは、量子メモリ素子となるダイヤモンド中の単一欠陥の電子に内在する量子もつれを利用し、発光と吸収という自然現象だけで光子と電子の量子もつれを検出した。

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 量子もつれ生成は発光した光子と残った電子が自然にもつれるように、また、量子もつれ検出は光子と電子がもつれて吸収されるように工夫を行った。このような自然現象の利用で、特別な量子操作の必要もなく量子テレポーテーションによる量子中継が行えることを実験によって明らかにしたという。

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 この方式を用いれば、光ファイバを伝わって量子ノードに到達した光子を無駄にすることなく中継に利用することができる。中継ごとの失敗確率を原理的にゼロに抑えることができるのだ。

また、光ファイバ中で光子がなくなるのを避けるために中継区間を可能な限り短くすることで、通信レートを最大限まで上げることが可能になる。仮に光子送信レートを毎秒1Gビットとすると、中継区間を50kmに抑えたとしても1000kmの量子通信路一回線で毎秒100Mビットの情報が送信できるとしている。

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 今回得られた結果は、量子中継の基本原理である量子テレポーテーションを極めて単純な原理で実現し、電子の量子状態を光子が届かない遥か遠方に高速かつ確実に再生できることを示唆するもので、物理法則で安全性の保証された量子通信網の飛躍的長距離化・高速化に道を開くものと期待されている。

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