反事実的通信
量子通信は不思議なものだが、その提案されている形態のなかでも特に奇妙なものの一つが、反事実的通信と呼ばれる。これは、二人の受信者の間を粒子が移動しない量子通信の一種だ。
理論物理学者たちは、長年にわたり提唱してきたこのような通信が可能だと。そして今、研究者たちは初めて実験でその実現に成功した。物理的な粒子を一つも送らずに、白黒のビットマップ画像をある場所から別の場所へ転送したのだ。
少し突飛に聞こえるかもしれないが、心配はいらない。そもそも量子力学とはそういうものだ。複雑で当然だ。しかし、順を追って見ていけば、反事実的量子通信は聞こえるほど奇妙ではない。
まず、通常の量子通信、別名量子テレポーテーションとの違いを考えてみよう。これも粒子を使わない情報伝達の一種ではないのだろうか。
いや、厳密には違う。通常の量子テレポーテーションは、量子もつれの原理に基づいている。二つの粒子が切り離せないほど結びつき、一方に起きたことが、どれだけ離れていても自動的にもう一方に影響する。
これはアインシュタインが「不気味な遠隔作用」と呼んだ現象で、科学者たちはすでにこれを使って遠く離れた場所へメッセージを送っている。
しかし、この形の量子テレポーテーションも、何らかの形で粒子の伝送に依存している。通常、二つの粒子はもつれ合う時点で一緒に存在している必要があり、その後、メッセージの両端にいる人々へ送られる（つまり、粒子はまず一か所にあり、両者間の通信が可能になる前に別の場所へ伝送されなければならない）。
ゼノ効果の登場
あるいは、粒子を離れた場所で量子もつれ状態にすることもできるが、その場合は通常、別の粒子が必要となる。たとえば光子（光の粒子）が二つの粒子の間を移動する。
一方、直接的な反事実的量子通信は、量子もつれ以外の現象に依存する。代わりに使われるのは、量子ゼノ効果と呼ばれる現象だ。
ごく簡単に言えば、量子ゼノ効果は、不安定な量子系を繰り返し測定するときに起こる。
量子の世界では、系を観測したり測定したりするたびに、その系は変化する。この場合、不安定な粒子は測定されている間、決して崩壊しない（見張られているやかんはいつまでも沸かない、ということわざのように）。そのため量子ゼノ効果によって、非常に高い確率で系が実質的に凍結した状態になる。
もう少し詳しく知りたい方には、以下の動画が分かりやすく説明している。
反事実的量子通信はこの量子ゼノ効果に基づき、量子的または古典的な粒子を両地点間で伝送することなく、ある地点から別の地点へ量子状態を移すことと定義される。
この通信には二地点間に量子チャネルを設ける必要がある。つまり、量子粒子がチャネルを通過する可能性は常にわずかながら存在する。粒子が通過した場合、その系は破棄され、新たな系が設定される。
このような複雑な系を構築するため、中国科学技術大学の研究者たちは、ビームスプリッターを並べた列の最後にある出力ポートに、単一光子検出器を二つ設置した。
量子ゼノ効果によって系は特定の状態に凍結されるため、光子が通過したときにどの検出器が「クリック」するかを予測できる。入れ子状の干渉計を連ねて系の状態を測定し、変化していないことを確かめる。
この仕組みは、量子の世界ではすべての光粒子を粒子としてではなく、波動関数によって完全に記述できるという事実に基づいている。そこで研究者たちは、光にメッセージを埋め込むことで、粒子を直接送ることなくそのメッセージを伝送できた。
光が答えを運ぶ
研究チームによると、この実験装置の基本的な発想はホログラフィー技術に着想を得ている。
研究者たちは次のように述べている。「1940年代に、光の強度だけでなく位相も記録する新しい画像技術、ホログラフィーが開発された。」研究者たちは学術誌『米国科学アカデミー紀要』にこう記している。
「そこで、光そのものの位相を画像化に使えるのか、という問いが浮かぶ。答えはイエスだ。」
基本的な考え方はこうだ。誰かが光だけを使ってアリスに画像を送りたいとする（量子の領域では、光は粒子ではなく波として振る舞う）。
アリスは単一光子を入れ子状の干渉計に送り込む。そこでは、D0、D1、Dfという三つの単一光子検出器で検出できる。
D0またはD1が「クリック」すれば、アリスは論理値が1または0だと判断できる。Dfがクリックした場合、結果は判定不能と見なされる。
こうした内容をChristopher PackhamはPhys.orgで次のように説明している。
「すべてのビットの通信後、研究者たちは画像を再構成できた。それは中国結びを描いたモノクロのビットマップ画像だった。黒い画素は論理値0、白い画素は論理値1と定義された……
実験では、光そのものの位相が情報の担い手となり、光の強度は実験に関係しなかった。」
研究チームによると、これは量子通信の大きな前進であるだけでなく、直接光を当てると損傷する恐れのある繊細な古代の遺物の撮像にも応用できる技術だ。
研究者たちが観測したものが反事実的量子通信の真の実例であることを確かめるには、今後、外部の研究者による検証が必要となる。
いずれにせよ、量子の世界がどれほど奇妙で、未開拓なのかを示す、実に興味深い実証だ。
この研究は学術誌『米国科学アカデミー紀要』に掲載された。
