量子テレポーテーションで人間は転送できるか？→専門家の「答え」が納得感しかない

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SF映画ではお馴染みの瞬間移動＝「テレポーテーション」。人ならざる者が操る超能力の一種だとされているが、実は量子力学の世界では起こりうる。何しろ、「量子テレポーテーション」は、次世代の量子通信や量子コンピュータを実現するために必要不可欠な技術なのだ。では、これを応用して実際に人間が瞬間移動することはできるのだろうか？※本稿は、二間瀬敏史『量子テレポーテーションで人間は転送できるか？やさしく読める量子力学』（さくら舎）の一部を抜粋・編集したものです。

量子テレポーテーションで

人間は瞬間移動が可能か？

　人や物が一瞬で別の場所に移動するテレポーテーションはSFではよく出てきます。そんなことは可能でしょうか。

　辞書などには、テレポーテーションとは超能力の一種で瞬間移動すること、と説明されています。人間がテレポーテーションしたとき、人体を構成する物質がミクロに分解されて移動し、別の場所に現れて再合成される、というイメージをもっている人も多いかもしれません。

　しかし、量子力学で考えられているテレポーテーション（量子テレポーテーション）はまったく違っています。そして、そのテレポーテーションは次世代の量子通信や量子コンピュータに必要不可欠な技術です。

　量子テレポーテーションを量子オセロ（編集部注／「量子オセロ」には両面があるが、片方が白、反対が黒というわけではない。観測者が見たときに確定するが、誰がいつ見るかによって状態は変わりうる）の例で見てみましょう。

　情報を送る人をアリス、それを受け取る人をボブとします。Aさん、Bさんとするよりも親しみがもてるので、この名前がよく使われます。3人目としてイニシャルがCのクリスに登場してもらいます。

　クリスは自分のもっている量子オセロCの「状態」の情報（白と黒の状態のある特定の重ね合わせ。たとえば30％が白で70％が黒）をボブに送ってほしいとアリスに頼みます（量子オセロCそのものを送るわけではない）。

　ただしアリスにも知られたくない情報です。そもそもアリスがクリスの量子オセロCを見た瞬間に白か黒の状態になってしまい、元の情報（重ね合わせの状態）が消えてしまうので、見てはいけないのです。

「量子もつれ」を利用した

量子テレポーテーション

　そこでアリスは量子もつれ（編集部注／一方の状態と他方の状態に何らかの決まった関係がある状態。量子もつれ状態にある2つの粒子は、まるで双子のように、一方の状態が変化すると、もう一方もそれに応じて変化する）を利用することを考えます。

　量子もつれ状態にある2枚の量子オセロA、Bを用意して、オセロBをあらかじめボブに送っておきます。たとえば観測すれば、A、Bは必ず同じ色になるとしましょう。それが白なのか黒なのかはわかりません（図5）。

同書より転載

　ただし、アリスは自分の量子オセロAを見ることはしません。見てしまえば、ボブの量子オセロBの色はクリスの量子オセロCの色と無関係に確定してしまうからです。

　ここで、アリスは自分のオセロAとクリスのオセロCに対してある操作をします。具体的な操作は、実際にどんなものを使うかによります（ここでは量子オセロで話をしていますが、実際に利用されるのは光子や電子などです。たとえば光子の場合は、2つの光子を同時に半透明の鏡にぶつけたり、ある種の結晶を通過すると、それらは量子もつれ状態になることが知られています。量子オセロの場合もそのような操作ができるとします）。

　すると、アリスのオセロAとクリスのオセロCは量子もつれ状態になります。その瞬間にボブのオセロBも量子もつれとなり、その状態にもある変化が起こります。その変化は、アリスとクリスのオセロA、Cの量子もつれ状態によって決まります。

　もう少しくわしくいうと、アリスとクリスのオセロA、Cの量子もつれ状態は、「両方とも白」「両方とも黒」「Aが白でCが黒」「Aが黒でCが白」の4つの状態のどれかです（これはオセロを見ればそうなるということで、実際にそれぞれの色になっているわけではありません。1つ1つのオセロの状態はあくまで確定していないのです。量子もつれ状態にするということは、おのおののオセロの状態は手つかずのままに、それらの間の関係だけを決めることです）。

　この4つの可能性に対応して、ボブのオセロBの状態が4通りの白の状態と黒の状態の重ね合わせのどれかに変わるのです。

　白と黒の重ね合わせの割合は無数にありうるのですが、たった4通りに絞られます。しかもその中の1つがもともとクリスのオセロCの状態（30％が白で70％が黒）になっています。確率4分の1で、元のクリスの情報が得られるのですが、もちろんそれで十分ではありません。

　ほかの重ね合わせ状態（たとえば70％が白で30％が黒など）は、オセロCの元の状態ではありませんが、アリスとクリスのもつれ状態の1つとある決まった関係にあるのです。残りの2つの状態も同じように、アリスとクリスのもつれ状態に関係しています。

　したがってボブがアリスとクリスのもつれ状態を知ることができれば、適当な操作をほどこすことによって、自分の持っているオセロをクリスと同じ状態にできるのです。

　しかし誰かがクリスの情報を盗もうとして、アリスとクリスの量子もつれを見てしまうと、その瞬間に量子もつれ状態が壊れてしまい、送りたい情報は消えてしまいます。盗み見ることは原理的にできません。

量子テレポーテーションで

転送されたものは「本物」か？

　ここまで来たら、次に古典的な通信方法を利用します。アリスはボブに、自分のオセロAとクリスのオセロCの量子もつれ状態が4つの可能性のうちのどれかであることを、メールや無線で伝えます。

　ボブがその情報をもとにある操作を自分のオセロBにほどこすと、オセロBがクリスのもっていたオセロCの状態に変わるのです。

　これが量子テレポーテーションです。

　古典通信（編集部注／スマートフォンやインターネットなど、現代人が日常的に利用している通信技術）を利用することから、この転送は瞬時ではなく、光速以下でしか送れません。

　しかしどんなに遠いところへでも、そしてどんなに厳重に閉じ込められた部屋からでも、盗まれることなく情報を送ることができるのです。

　超能力では透視とか千里眼といった能力が話題になることがありますが、量子力学ではそれが実現しているのです。ただし量子もつれという仕掛けがあっての話です。

　量子テレポーテーションでクリスの量子オセロCの状態は消えて、ボブのもっていた量子オセロBに移されます。したがって転送されたものは、状態の情報です。量子テレポーテーションは物質の転送ではなく、情報の転送なのです。

　でも、ボブに転送された情報をもった量子オセロBは、クリスの持っていた量子オセロCとは違うもので、本物ではないと感じるかもしれません。そうでしょうか。ではいったい「本物」とは何でしょう。

　本物とはそれを特徴づける何かの個性（自己同一性）をもっているものとすると、量子オセロのような量子には「状態という個性」しかありません。

　もちろん量子には光子や電子など種類があって、それらは区別することができます。しかし光子同士や電子同士のような同じ種類の量子の場合、2つの量子が同じ状態をもっていればその2つを区別することができないのです。

　たとえば2つの光子をぶつけたとしましょう。その結果、2つの光子は違う方向に散乱（光・音・電波などの波動が物体にぶつかると、さまざまな方向に広がっていく現象）されますが、どちらの光子がどちらの方向に散乱されたかを区別することはどんなことをしてもできません。

「量子」とは電光掲示板の

明かりのようなもの

　日本人として2番目にノーベル賞を受賞した朝永振一郎は、このことを電光掲示板で説明しました。平面に多数の電球が並んでいる電光掲示板をイメージしてください。電球が順々に点滅することで光の線が動いているように見えます。

　いま2つの方向A、Bから直線状に明かりが近づいてきて、交差したとします。明かりがまっすぐ進んだのか、それとも交差したところで曲がったのかと問う意味はありません。そもそもが電球の点滅なのですから（図6）。

同書より転載

　量子とは電光掲示板の明かりのようなものであり、電光掲示板が量子のいる空間、電球は空間に埋め込まれた量子の性質のようなものです。この性質を「場」といいます。光子なら光子場、電子なら電子場です。空間には何もないように見えても、さまざまな量子の場がそなわっているのです。

　量子テレポーテーションとは電光掲示板のある場所の明かり（状態）が、別の離れた場所に移動したようなものです。ただし、そのためには元の場所と移動先の間が量子もつれ状態になっていなければなりません。

　ということで、先の量子オセロの例でいえば、本物の量子オセロCが転送され、元の量子オセロは残っていますがもはや元の状態は消えていて、その意味で本物ではないのです。

量子テレポーテーションの

転送効率は60％超

　量子テレポーテーションの仕組みは、1993年に発見されています。そして1997年、オーストリア、インスブルック大学のアントン・ツァイリンガーのグループが、実際に、量子として光子、送る情報として光子のスピンの重ね合わせを使った実験をおこない、成功しました。

　ただしこの実験では転送効率が非常に低く、たとえば100個の光子の量子状態（その量子のあり方。ここでは光子の量子もつれの状態）を送っても、せいぜい1個の情報しか正しく転送されませんでした。

　翌1998年、当時カリフォルニア工科大学にいた古澤明が、より効率のよい量子テレポーテーションに成功しています。

　この方法は、やはり量子として光子を使いますが、送る情報はスピンの重ね合わせではなく、光子の波動としての性質を利用したもので、特に量子コンピュータへの応用に役立つものです。

　その後、彼らの方法はスピンの重ね合わせにも適用できるように拡張され、転送効率は60％以上にも達しており、光を使った量子コンピュータの実現への期待が高まっています。

　では、人間の場合はどうでしょう。SFの『スタートレック』では、転送装置に入って「エナジャイズ」などと言うと元の人間が消えて、別の場所に現れます。ウィキペディアを見ると、「物質を量子レベルにまで分解し、『転送ビーム』に乗せてエネルギー波として運び、目的地で再物質化するというもの」という設定のようです。

　しかし、量子力学の知見では、実際に転送されるのは人間の情報で、転送元にある物質が消えるわけではありません。転送された瞬間に情報を失って、人間を作っていた物質はバラバラになり雲散霧消するか、抜け殻が残るのでしょう。そして意識を含めた情報が乗り移った「本人」が転送先に現れる、というわけです。

人間を含むマクロな物体の

テレポーテーションは実現できる？

　現在の量子テレポーテーションの理解では、転送元と転送先に量子もつれにある量子を揃えておく必要があります。どんなマクロな物体も実際はミクロな量子の集合体ですが、量子の数が多くなればなるほど、それらのすべてに対して量子もつれ状態を作るのは至難の業です。

　2004年にはベリリウム原子とカルシウム原子の量子テレポーテーションに成功したという報告があります。原子の構造は中心の原子核のまわりを何個かの電子が回っているという簡単なものですが、人間のような大きな物体の場合、ミクロに見れば想像を絶する数の量子（さまざまな原子）で構成されており、特に脳の働きなどは複雑な量子もつれをもって存在している（量子脳理論）と考えられています。

　量子テレポーテーションをおこなうには、まず人間を作っている量子と同じ数の量子もつれ状態にある量子を、転送元と転送先に用意しておかなければなりません。