7月初旬、中国の科学者たちは、宇宙の「奇妙な」性質を利用して、地上と宇宙の間でテレポーテーションを実現したと明らかにした。これは初めてのことだった。
人や物がテレポーテーションしたわけではない。物理学の理論である量子力学を用いて、光子、つまり光の粒子の性質だけを転送した。この実験は概念実証だった。
しかし、この偉業の重要性が損なわれるわけではない。この量子テレポーテーション実験は、最大870マイル（1,400キロメートル）の距離で成功し、従来の記録の約8倍に達した。さらに、少なくとも1人の研究者によれば、衛星へのテレポーテーション能力は、次のような技術の開発に向けた大きな飛躍となる。現代世界を一変させる。
J.C. シーマス・デービス氏は、量子力学を研究するコーネル大学の物理学者で、今回の研究は完全な「量子インターネット」の基礎を実証した点で「画期的」だと述べた。この技術は、現在のワールド・ワイド・ウェブを時代遅れにする可能性が高い。
「そのようなインターネットは、速度の面ではるかに強力であり、個人情報にアクセスできないという点ではるかに安全です」とデービス氏はBusiness Insiderに語った。「盗み聞きが起きても、それに気づかれずに済む方法はありません。」
中国各地の学術機関に所属する32人の研究者が、最新研究の草稿を7月4日にArxivに投稿した。Arxivは科学論文のプレプリントサーバーだ。科学者による査読はまだだが、この研究は、同じ量子テレポーテーション衛星「墨子（Micius）」を使った関連研究に続くものだ。その研究は6月15日に学術誌『Science』に掲載された。
デービス氏は、量子インターネットがいつ稼働するのか、あるいは具体的にどのような影響をもたらすのかは分からないと述べた。しかし、その影響は非常に大きいと考えている。ただし、その発展は1980年代のインターネットの誕生に似たものになるかもしれない。
当初、その時代は好奇心、そして場合によっては戸惑いをもって迎えられた。しかしウェブの誕生は、数十年にわたる大きな変革とイノベーションをもたらし、現代世界を作り変えた。誰もが利用できる完全な量子インターネットも、同じような変化を引き起こす可能性がある。
「量子物理学者には、その到来が見えています。量子インターネット、量子情報技術、量子コンピューティング、量子暗号です」と、研究に参加していないデービス氏は語った。「これらは今まさに地平線の向こうから姿を現しつつあり、今から30年から50年後には、世界の仕組みを左右するようになるでしょう。だからこそ、この論文は非常に印象的なのです。」
量子テレポーテーションの不思議な力を活用する
研究者たちは1992年に証明し、テレポーテーションが少なくとも数学的には機能することを示した。その後、1998年に光子を使って、実験室で初めて実証した。以来、世界中の科学者がその研究を再現し、発展させてきた。
量子テレポーテーションは、人がスキャンされ、再構成されて宇宙の別の場所に現れる「スタートレック」版のテレポーテーションとは異なる。量子テレポーテーションでは、2つの微小粒子を「もつれさせ」、互いに引き離しながら、つながった状態を保てるよう安定させる。
もつれによって、スピンや偏光など粒子の特定の状態が結びつく一方、それらの状態に関する情報は「重ね合わせ」と呼ばれる曖昧で奇妙な状態に閉じ込められる。もつれた粒子の状態は、たとえば上向き、下向き、あるいはその両方だと考えられる。
「生きた猫と死んだ猫が同時に存在するようなものです。奇妙な状況ですよね」とデービス氏は語った。
ところが、粒子の一方を直接測定すると（あるいは少し強く揺さぶると）、その状態が判明し、もう一方の粒子は瞬時に反対の状態を示す。どれほど離れていても、2つの粒子は同じ場所に同時に存在する同一の粒子であるかのようだ。まるで、隠された状態が光速を超えて「テレポート」するかのように見える。
アルバート・アインシュタインはこの現象を「不気味な遠隔作用」と呼んだ。主に、その考えをばかげていると思っていたことを示すためだった。
「アインシュタインはこれを受け入れられませんでした」とデービス氏は語った。「事実として受け入れないまま、ほぼその生涯を終えました。しかし今では、機能することが何百万回も実証されています。」
光子や原子などの粒子が、どのように、なぜもつれ合い、量子テレポーテーションによって互いの状態を転送できるのかは、日常生活の常識では理解できない。ごく小さなスケールでは、宇宙は異なる規則に従っているように見える。その多くは逆説的で、理性に反する。たとえば量子力学の一部の状況では、結果が必ず原因の後に起きるとは限らず、原因が起きる前に結果が生じることさえある。（「作り話ではありません」とデービス氏は語った。）
デービス氏は、量子力学に戸惑う人を責めることはできないとも付け加えた。「私たちはこの理論や、その直感に反する帰結を理解するよう進化してきたわけではない」からだ。
「しかし、数学も、1920年代に始まった予測も、すべて正しいことが分かっています」と同氏は語った。「人類が生み出した科学理論の中で、最も成功した理論です。」
数学と実験を重ねた数十年の間、地上から軌道上へのテレポーテーションを実現した者はいなかった。少なくとも、これまでは。そしてデービス氏は、これが状況を一変させると考えている。
なぜ、どのように宇宙へテレポーテーションするのか
宇宙へのテレポーテーションが望まれる理由は、もつれた光子を分離する従来の方法、つまりインターネットの一部を支える光ファイバーケーブルを使う方法に問題があるためだ。
光ファイバーケーブルの敷設には費用と時間がかかる。ケーブルが長いほど損失が大きくなり、もつれが壊れる可能性も高まる。レーザーで空中に光子を飛ばす方法も、一定の距離を超えるとうまくいかない。大気の乱れが光子を揺さぶり、もつれを壊してしまう。
「この問題を解決する有望な方法は、衛星プラットフォームと宇宙空間のリンクを活用することです」と著者らは記した。宇宙はほとんど何もなく、もつれを乱す可能性が低いためだ。「本研究は、忠実度の高い超長距離量子テレポーテーションに向けた、地上から衛星への初のアップリンクを確立するものであり、地球規模の量子インターネットに向けた重要な一歩です。」
実現にあたり、研究者たちは「阿里（Ngari）」と呼ばれる特殊な送信機を使った。チベットの山地に設置された装置だ。標高が高いため、送信機と墨子の間にある空気をできるだけ少なくできた。墨子は2016年に打ち上げられ、非常に高感度の光子検出器を搭載している。これにより、もつれた光子が壊れずに宇宙へ到達する可能性が大幅に高まった。
光子をもつれさせるため、研究者たちは紫外線レーザーを特殊な結晶に照射し、偏光状態が互いに反対でありながら未知の光子ペアを生成した。（偏光とは、偏光サングラスがコントラストを高めるために取り除くことのできる、光の性質と同じものだ。）こうして、量子ビット、つまり量子もつれしたビットと呼ばれるものを作り出した。
次に鏡でレーザー光と、量子もつれした光子ペアを分けた。実験では一方の光子を地上に残し、もう一方を墨子へ送った。送信速度は、もつれた光子約4,080個／秒だった。
衛星が適切なタイミングで、もつれた光子を検出できるようにし、送信機の信号を強く保つため、技術者たちはさまざまな対策を講じた。
たとえば墨子は、月の光を慎重に遮り、軌道上の正確な位置を把握するため星を追跡した。また、温かい物体は赤外線を放つため、非常に低温で運用され、毎晩まったく同じ時刻に頭上を通過した。正確なタイマーも装置間の同期に役立ち、送信機を出た各光子が衛星に到達する時刻を予測できるようにした。
衛星が地平線上にあるとき、送信機から見える距離は最遠で870マイルだった。真上を通過するときは、最短で310マイルだった。
32夜にわたり、科学者たちが光子の状態を測定したところ、911組の光子ペアでテレポーテーションが示された。何百万組もの中の数としては少なく聞こえるかもしれないが、これは画期的な成果だ。
「同様の構成を光ファイバーケーブルで実現した場合、同じ現象を1回観測するには3800億年（宇宙の年齢の20倍）待つ必要があることは、簡単に確かめられます」と著者らは記した。
今後の課題
容易ではないのは、誰もが利用できる量子インターネットを立ち上げ、稼働させることだ。
小規模な量子インターネットはいくつか構築されているが、衛星ではなく光ファイバーケーブルを使い、規模も小さい。また、従来型のコンピューターと接続するため、速度やセキュリティを一般に妥協している。
地球規模の量子インターネットを実現するには、中国などの主体が量子インターネット信号の忠実度を高める方法を見つける必要がある。同様に、量子インターネットの速度と安全性を十分に活用するには、手頃な価格で信頼性があり、実用性を備えた商用量子コンピューターや量子ルーターも必要となる。
セキュリティ面では、多数の量子ビットからなる列を宇宙との間で確実に送受信し、「量子鍵」を形成できることを誰かが示す必要がある。量子鍵は自然にランダム生成されるため、解読できない。実現すれば、他のあらゆる暗号方式を凌駕するだろう。（量子暗号化されたデータを盗み聞きしようとすれば、もつれたペアの状態が崩れ、侵入を示すエラーが生じる。）
デービス氏は、こうした技術がすべて結実するのは、まだ何年も先だと考えている。しかし実現すれば、世界規模の公共インターネットを改善することに加え、数え切れないほどの新たな恩恵を誰もが得られるだろうと述べた。
「今やっていることを、ただもっと良くすると考えてみてください」と同氏は語った。「ノートパソコンの動作が速くなる。Netflixのシーズン全話を、10時間ではなく10秒でダウンロードできる。世界中のどの医療システムでも、あなたの医療記録が完全な形で利用でき、安全に保護される。」
そして、極めて重要なことに、「航空会社は各便で適正な数の座席を販売できるようになります」と同氏は語った。
