コンピューティング
量子テレポーテーションは事実かフィクションか？
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光ファイバーを用いた量子テレポーテーション
世界のデジタル通信は、複雑な光ファイバーネットワークを通じて、光速でデータを迅速かつ効率的に転送することに支えられています。0と1の二進列を使う従来型コンピューティングでは、この仕組みで十分です。
しかし、量子コンピューティングが暗号化、科学研究、その他の用途で一般的に使用されるツールにますます近づくにつれて、量子データをある量子コンピュータから別の量子コンピュータへ転送する方法という問題が浮上しています。
長い間、これはほぼ不可能だと考えられていました。各量子コンピュータは互いに孤立して動作する運命にあり、その可能性が制限されていました。
これはテック業界にとって重要な課題となりつつあり、特に新しいスケーラブルな量子チップ設計がちょうど発表されたことが背景にあります。
したがって、ノースウェスタン大学、Ciena Corporation (CIEN ) 、NuCrypt LLC の研究者が発見した重要なステップは、光ファイバー内で「通常」のデータストリームと並行して量子状態を保存・転送できることです。
研究チームは、その成果をOptica誌に「光ファイバーにおける古典通信と共存する量子テレポーテーション1」と題して発表しました。
量子テレポーテーション
量子テレポーテーションはSF映画に登場する空想的な概念のように聞こえますが、実際には数十年にわたって研究されてきた現実の現象です。
これは、2 つの異なる粒子が「ペア/結合」される現象、すなわち量子もつれと呼ばれるものが起こるときに発生します。
2つの粒子がもつれると、どれほど離れていても両者の量子状態には相関が生じます。ただし、この相関だけを利用して情報を光速より速く送ることはできません。
その仕組みや現実への意味は量子物理学者の間で激しく議論されていますが、これは非常に実在し測定可能な量子効果であり、完全に安全で瞬時の通信を可能にする可能性があります。
根本的に異なる通信
大量の光子に埋もれた1個の光子
これまでは、光ファイバーを通じて量子状態を転送することはできないと考えられていました。もつれた単一光子が、同じファイバーを進む何十億もの光子に埋もれ、固有の量子状態を失うとみられていたためです。
「量子状態を担う光子と、別の光子ともつれた光子という2個の光子に破壊的測定を行うと、量子状態は残った光子へ転送されます。その光子は非常に遠くにあっても構いません。
光子そのものを長距離にわたって送る必要はありませんが、その状態は遠方の光子に符号化されます。テレポーテーションにより、情報そのものがその距離を移動しなくても、遠距離間で情報を交換できます」
ジョーダン・トーマス氏 — ノースウェスタン大学博士課程
重要な着眼点は、光ファイバー内に量子もつれを乱さない特定の条件が存在するかどうかを測定することでした。
光ファイバー内で光が散乱する様子を詳細に研究した結果、研究者は光子を配置するために混雑が少ない 1290 nm の量子チャネルという波長を見つけました。その後、通常のインターネットトラフィックからのノイズを低減する特別なフィルターを追加しました。
もちろん、これは簡単に思えるかもしれませんが、実際の実験設定は決して単純ではなく、公開された科学論文は実験全体がいかに複雑であったかを示しています。
出典: Optica
新しい電気通信
光ファイバーが地点Aから地点Bへ光子を運ぶ際、その光子が量子状態を保持できることは以前から知られていました。しかし、量子ではない通常のデータも同時に転送される状況で、それが可能だと実証されたのは今回が初めてです。
これは、通常の何百万個もの光子ではなく、1回に1個の光子を使う、まったく異なる情報転送プロセスが起きていることを意味します。
「光通信では、すべての信号が光に変換されます。従来型通信の信号は通常、何百万個もの光の粒子で構成されますが、量子情報では単一光子を使用します」
プレム・クマール教授 — ノースウェスタン大学フォトニック通信・コンピューティングセンター所長
初期プロトタイプから大きな野望へ
より多くの光ファイバー
最初の実験は、高速インターネット通信が流れる全長30キロメートル（18.6マイル）の光ファイバーで行われました。
研究チームの次の段階は、さらに長い距離で実験し、この新しい遠距離通信方式をどこまで拡張できるかを確かめることです。
これまでの実験は研究室内の光ファイバーだけで行われてきました。今後は実際に地中へ敷設された光ケーブルを使い、既存の世界的なインターネット光ファイバーネットワークでどの程度機能するかを検証します。
量子応用の拡大
進行中の研究では、もつれた光子を1組ではなく2組使用する実験も行われます。これは「もつれ交換」と呼ばれる別の量子現象を検証するものです。
もつれ交換とは、2組目の粒子同士が一度も相互作用していなくても、ある粒子対から別の粒子対へ量子もつれを移すプロトコルです。
これは将来の量子通信にとって重要な追加技術です。量子ネットワークのような分散型量子アプリケーションにつながり、長距離経路で量子情報を安全に転送できる可能性があります。
「量子テレポーテーションには、地理的に離れたノード間を安全に量子接続する能力があります。しかし、光の粒子を送るためだけの専用インフラを建設する者はいないと、長い間考えられてきました。
波長を適切に選べば、新しいインフラを建設する必要はありません。従来型通信と量子通信は共存できます」
プレム・クマール教授 — ノースウェスタン大学フォトニック通信・コンピューティングセンター所長
これは量子暗号に向けた大きな一歩となります。粒子対の間で交換されたもつれを利用することで、盗聴から保護された安全な暗号鍵を生成できるためです。
もう一つの効果は、「量子中継器」と呼ばれる方式によって量子状態を超長距離へ転送できることです。一定間隔でもつれ交換を行えば、量子状態を「更新」し、長距離でのデータ損失を防げます。
量子コンピューティングへの投資
量子コンピューティングはまだ新興分野ですが、投資家はすでに、その技術を開発する企業を通じて投資できます。
量子関連企業には多くの証券会社を通じて投資できます。Securities.ioでは、米国、カナダ、オーストラリア、英国、そのほか多くの国のおすすめ証券会社をご紹介しています。
個別の量子コンピューティング企業を選びたくない場合は、Defiance Quantum ETF (QTUM)などの量子コンピューティングETFを検討することもできます。量子コンピューティング業界の成長に、より分散して投資できます。
量子コンピューティングについては「量子コンピューティングの現状」で詳しく解説しています。また、業界最大手については「量子コンピューティング企業ベスト5」と「非シリコン・コンピューティング企業トップ10」をご覧ください。
量子コンピューティング企業
1. Alphabet Inc.
GOOGL 価格チャート
Google は量子コンピューティングに非常に積極的で、主に Google Quantum AI ラボとサンタバーバラの Quantum AI キャンパスを通じて活動しています。
Google の量子コンピュータは 2019 年に歴史的な成果を上げ、Sycamore マシンで「量子優位性」を達成したと主張しました。このマシンは 200 秒で計算を完了し、従来のスーパーコンピュータなら 10,000 年かかるとされています。
しかし現在では、最新チップ「Willow」の性能がそれを大きく上回っています。これは、量子ビットを増やすほど誤りが減るほど低いエラー率を初めて実現した量子コンピューティングチップであり、初の拡張可能な量子チップ設計です。
Googleの最大の貢献はソフトウェア分野にあるかもしれません。検索、Google Workspace、Androidなどで培ったソフトウェアの実績は、同社のハードウェア事業を大きく上回ります。
すでに、Google の Quantum AI は科学者が量子アルゴリズムを開発するのを支援するソフトウェアスイートを提供しています。
Googleはさらに、次のように公然と参加を呼びかけています。「研究者、エンジニア、開発者の皆さんには、当社のオープンソースソフトウェアや教育資料をご覧いただき、この取り組みに参加してほしいと考えています。資料にはCourseraの新講座も含まれ、開発者は量子誤り訂正の基礎を学び、未来の課題を解決するアルゴリズムの開発に協力できます。」
このオープンなアプローチのおかげで、Google はハードウェアだけでなくクラウドソリューションでもリーダーシップを取っています。Google は量子コンピューティングソフトウェアと量子プログラミングの標準を設定する企業の一つとなり、分野の将来の進化を導く有利な立場にあります。
一方、Waymo の自動運転車を含む AI ソリューションは、検索と広告産業で圧倒的な支配力を保持する Alphabet (GOOG ) にとって新たな収益源になる可能性があります。
Googleの量子分野以外の事業、特に広告とAIについては、2024年12月の特集記事で詳しく解説しています。
2. Ciena Corporation
CIEN 価格チャート
光ファイバーでの量子テレポーテーションを実証した研究プロジェクトのパートナーであるCiena Corporationは、光ネットワーク、ルーティングシステム、関連サービス、運用自動化ソフトウェアの世界的リーダーです。
Cienaは中国企業を除く光通信市場で世界最大手であり、25％を超える市場シェアを握っています。同社は70か国で事業を展開しています。
同社は、AIアプリケーションの需要に牽引され、今後4年間で帯域幅需要が急増すると予測しています。
このため同社は、光ネットワークにおける強固な地位を生かし、AIブームに関連する新市場へ進出しています。多くのAIアプリケーションでは、プライバシーや国境を越えるデータ流通に関する法律に対応するため、新たな地域データセンターが必要です。さらに、機能を分散させたデータセンターの普及も、より大きな光ネットワーク容量を求めています。
既存の光ファイバーネットワークが量子データの伝送に利用できると確認されれば、光ネットワーク業界に新たな急成長市場が生まれる可能性があります。AIアプリケーションによる需要がすでに急増するなか、量子コンピューティングがさらに大きな追い風となり、業界の将来性はいっそう高まるでしょう。
研究参照：
1. Thomas, J. M., Yeh, F. I., Chen, J. H., Mambretti, J. J., Kohlert, S. J., Kanter, G. S., & Kumar, P. (2024). 光ファイバーにおける古典通信と共存する量子テレポーテーション. Optica, 11(12), 1700–1707. https://doi.org/10.1364/OPTICA.11.001700
