量子もつれがアインシュタインの局所因果関係を打ち砕く: コンピューティングと暗号の未来

チューリッヒ工科大学 2023 年 5 月 11 日

チューリヒ工科大学の研究者は、超伝導回路を使用して抜け穴のないベルテストを実行し、量子力学を確認し、アインシュタインの局所因果関係の概念を反証しました。 この発見は、分散量子コンピューティングと量子暗号の可能性を切り開きます。

チューリッヒ工科大学の研究者は、遠く離れた量子力学的な物体が、従来のシステムで可能であったものよりもはるかに強く相互に相関できることを実証することに成功した。 この実験では初めて超電導回路が使われた。

2 つの超電導回路間の長さ 30 メートルの量子接続の部分セクション。 真空管 (中央) には、約 –273°C に冷却されたマイクロ波導波管が含まれており、2 つの量子回路を接続しています。 クレジット: チューリッヒ工科大学 / ダニエル・ウィンクラー

チューリッヒ工科大学の固体物理学教授、アンドレアス・ヴァルラフ率いる研究者グループは、量子力学に応じてアルバート・アインシュタインが定式化した「局所因果関係」の概念を反証するために、抜け穴のないベル・テストを実行した。 遠く離れた量子力学的物体は、従来のシステムで可能であったよりもはるかに強く相互に相関できることを示すことで、研究者らは量子力学のさらなる裏付けを提供した。 この実験の特別な点は、研究者らが、強力な量子コンピューターを構築するための有望な候補と考えられている超伝導回路を使ってこの実験を初めて実行できたことだ。

ベル テストは、1960 年代に英国の物理学者ジョン ベルによって思考実験として最初に考案された実験設定に基づいています。 ベルは、物理学の偉人たちがすでに 1930 年代に議論していた問題を解決したいと考えていました。日常の直観に完全に反する量子力学の予測は正しいのでしょうか、それとも従来の因果関係の概念は原子の小宇宙にも当てはまるのでしょうか。アルバート・アインシュタインが信じていたように？

この疑問に答えるために、ベルは、絡み合った 2 つの粒子に対してランダムな測定を同時に実行し、それをベルの不等式と照合することを提案しました。 アインシュタインの局所因果関係の概念が正しい場合、これらの実験は常にベルの不等式を満たします。 対照的に、量子力学はそれを破ることを予測します。

長さ 30 メートルの量子接続の一部の内部の図。 ほぼ絶対零度まで冷却されたアルミニウム導波路 (中央) が 2 つの量子回路を接続します。 数層の銅シールドが導体を熱放射から保護します。 クレジット: チューリッヒ工科大学 / ダニエル・ウィンクラー

1970年代初頭、昨年ノーベル物理学賞を受賞したジョン・フランシス・クラウザーとスチュアート・フリードマンは、初の実用的なベル・テストを実施した。 二人の研究者は実験で、ベルの不等式が実際に違反していることを証明することができました。 しかし、最初に実験を行うには、実験で特定の仮定を立てる必要がありました。 したがって、理論的には、アインシュタインが量子力学に懐疑的だったというのは依然として正しかったかもしれない。

しかし、時間の経過とともに、これらの抜け穴はさらに多く塞がれる可能性があります。 ついに 2015 年に、さまざまなグループが真に抜け穴のない最初のベル テストの実施に成功し、古い論争についに決着がつきました。

研究者らは、長さ30メートルの量子接続を効率的に冷却する独自のクライオスタットを開発した。 これは量子リンクの途中に設置されます。 クレジット: チューリッヒ工科大学 / ダニエル・ウィンクラー

Wallraff のグループは、新しい実験でこれらの結果を確認できるようになりました。 有名な科学誌ネイチャーに掲載されたETH研究者らの研究結果は、7年前の最初の確認にもかかわらず、このテーマに関する研究はまだ結論が出ていないことを示している。 これにはいくつかの理由があります。 まず、ETHの研究者らの実験は、超伝導回路が光子やイオンなどの微視的な量子物体よりもはるかに大きいにもかかわらず、量子力学の法則に従って動作することを確認した。 超伝導材料で作られ、マイクロ波周波数で動作する数百マイクロメートルサイズの電子回路は、巨視的な量子物体と呼ばれます。

もう一つ、ベルテストには実用的な意味もあります。 「修正されたベルテストは、たとえば、情報が実際に暗号化された形式で送信されることを実証するために、暗号化に使用できます」と、ヴァルラフ氏のグループの博士課程の学生、サイモン・ストルツ氏は説明する。 「私たちのアプローチを使用すると、ベルの不等式が破られていることを他の実験設定で証明できるよりもはるかに効率的に証明できます。そのため、実用的なアプリケーションにとって特に興味深いものになります。」

実験を行ったチューリッヒ工科大学量子デバイス研究所のコアチーム。 左から右へ：アナトリー・クリコフ、シモン・ストルツ、アンドレアス・ヴァルラフ、ジョスア・シャー、ヤニス・リュートルフ。 クレジット: チューリッヒ工科大学 / ダニエル・ウィンクラー

ただし、研究者はこれを行うための高度な試験施設を必要とします。 なぜなら、ベルテストに真の抜け穴がないためには、量子測定が完了する前に、絡み合った 2 つの回路間で情報が交換されないようにする必要があるからです。 情報を送信できる最速の速度は光の速度であるため、測定にかかる時間は、光粒子が 1 つの回路から別の回路に移動するのにかかる時間よりも短くなければなりません。

したがって、実験をセットアップするときは、バランスを取ることが重要です。2 つの超電導回路間の距離が長くなるほど、測定に使用できる時間が長くなり、実験セットアップはより複雑になります。 これは、実験全体が絶対零度に近い真空中で行われなければならないためです。

ETHの研究者らは、抜け穴のないベルテストを成功させるための最短距離は約33メートルであると判断した。これは、光粒子が真空中でこの距離を移動するのに約110ナノ秒かかるためである。 これは、研究者が実験を行うのに要した時間より数ナノ秒長くなります。

ウォールラフ氏のチームは、ETH キャンパスの地下通路に印象的な施設を建設しました。 その両端には、超電導回路を備えたクライオスタットがあります。 これら 2 つの冷却装置は長さ 30 メートルのチューブで接続されており、その内部は絶対零度 (-273.15°C) をわずかに超える温度まで冷却されます。

Before the start of each measurement, a microwave photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">光子は 2 つの超電導回路の一方からもう一方に伝達され、2 つの回路が絡み合います。 次に、乱数発生器は、ベル テストの一部として 2 つの回路でどの測定を行うかを決定します。 次に、双方の測定結果を比較する。

After evaluating more than one million measurements, the researchers have shown with very high statistical certainty that Bell's inequality is violated in this experimental setup. In other words, they have confirmed that quantum mechanics also allows for non-local correlations in macroscopic electrical circuits and consequently that superconducting circuits can be entangled over a large distance. This opens up interesting possible applications in the field of distributed quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">量子コンピューティングと量子暗号。

施設の建設とテストの実施は困難であった、とウォールラフ氏は言う。 「ERC Advanced Grant からの資金提供により、6 年間にわたってプロジェクトに資金を提供することができました。」 実験装置全体を絶対零度に近い温度まで冷却するだけでもかなりの労力がかかります。 「私たちの機械には 1.3 トンの銅と 14,000 本のネジがあり、また物理学の知識や工学のノウハウも豊富にあります」とウォールラフ氏は言います。 同氏は、同様の方法でさらに長い距離を克服する施設を建設することは原理的には可能であると信じている。 この技術は、たとえば、超伝導量子コンピュータを長距離にわたって接続するために使用できる可能性があります。

参考文献: 「超伝導回路による抜け穴のないベルの不等式違反」Simon Storz、Josua Schär、Anatoly Kulikov、Paul Magnard、Philipp Kurpiers、Janis Lütolf、Theo Walter、Adrian Copetudo、Kevin Reuer、Abdulkadir Akin、Jean-Claude Besse、Mihai 著Gabureac、Graham J. Norris、Andrés Rosario、Ferran Martin、José Martinez、Waldimar Amaya、Morgan W. Mitchell、Carlos Abellan、Jean-Daniel Bancal、Nicolas Sangouard、Baptiste Royer、Alexandre Blais、Andreas Wallraff、2023 年 5 月 10 日、Nature。 DOI: 10.1038/s41586-023-05885-0