量子物理学：直接つながっていないノードとノードの間での量子情報のテレポーテーション
Nature
ノード量子ネットワーク上の2つの隣接していないノード間での量子情報のテレポーテーションが実証されたことを報告する論文が、今週、Nature に掲載される。今回の成果は、量子インターネットの構築に向けた重要な一歩だ。
量子テレポーテーションは、量子情報をある場所から別の場所に転送することで、安全な通信や量子コンピューティング、次世代インターネットの開発に応用できる可能性がある。これまでに報告された量子テレポーテーションの実験的実証は、つながった2つのノードの間でのテレポーテーションだった。これに対して、つながっていないノードの間でのテレポーテーションは、量子インターネットなどの量子ネットワークの開発に非常に重要になる。
今回の研究で、Sophie Hermans、Ronald Hansonたちが用いた量子ネットワークは、Alice、Bob、Charlieという3つのノードを光ファイバーで1列に接続したもので、AliceとBob、BobとCharlieの間は直接つながっているが、AliceとCharlieの間は直接つながっていない。テレポーテーションは、まず、エンタングルした量子状態が隣接したノード間で共有されていることを必要とする。そこで、中央のノード（Bob）で量子エンタングルメントスワッピング操作を行って、AliceとCharlieの間にエンタングルメントを生成することで、両者間での量子情報の直接テレポーテーションが実現した。デリケートな量子情報を保持しつつ、このテレポーテーションのプロトコルの各段階を実施するには、量子状態の準備、操作、読み出しの改善が必要だった。
今回の研究では、つながっていないノード間での情報共有が実証された。Hermansたちは、この成果は、量子情報のテレポーテーションを介して通信する量子ネットワークの構築に向けた一歩になる可能性があるという見解を示している。一方、同時掲載のNews & Viewsにおいて、Oliver SlatteryとYong-Su Kimは、量子ネットワーク全体でユビキタスなテレポーテーションが実現するのは、まだかなり先のことになるとしている。Hermansたちは、複数回のテレポーテーションを実現し、大規模な量子ネットワークを構築するには、システムの複数の機能をさらに改善する必要があると結論付けている。
The teleportation of quantum information between two non-neighbouring nodes in a three-node quantum network is demonstrated in a paper published in Nature this week. This achievement is an important step towards creating a quantum internet.
Quantum teleportation can transfer quantum information from one location to another, and has potential applications in secure communications, quantum computing and the development of next-generation internet. Experimental demonstrations of this effect reported to date have been between two connected nodes. Teleportation between non-connected nodes will be critical for the development of a quantum network, such as a quantum internet.
The quantum network operated by Sophie Hermans, Ronald Hanson and colleagues involves three nodes called Alice, Bob and Charlie connected by optical fibres in a line, with direct links between Alice and Bob and between Bob and Charlie, but not between Alice and Charlie. Teleportation first requires sharing of entangled quantum states between the neighbouring nodes. A quantum swapping operation at the middle node Bob then creates entanglement between Alice and Charlie, enabling the direct teleportation of quantum information between them. Realising every step of the protocol while preserving the delicate quantum information required improvement in the preparation, manipulation and readout of the quantum states.
The sharing of information between non-connected nodes demonstrated here may represent a step towards building a quantum network that communicates via the teleportation of quantum information, the authors propose. However, potential ubiquitous teleportation around a quantum network remains some way away, suggest Oliver Slattery and Yong-Su Kim in an accompanying News & Views article. Further improvements to multiple features of the system will be needed to enable multiple rounds of teleportation and to produce large-scale quantum networks, the authors conclude.
doi: 10.1038/s41586-022-04697-y
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