量子テレポーテーション：量子もつれと古典通信による量子状態の転送

プロトコルと主要な要素

最も単純で広く教えられている量子テレポーテーションでは、三つの系を用いる。すなわち、送信すべき状態をもつメッセージ量子ビットと、送信者（慣例的にアリスと呼ばれる）および受信者（ボブ）がそれぞれ一方を保持する、もつれた粒子対である。基本的な手順は次のとおりである。

• もつれた粒子対を準備し、一方の粒子をアリスへ、もう一方をボブへ配分する。
• アリスは、メッセージ量子ビットと自身が保持するもつれた粒子に対して、共同測定（ベル状態測定）を行う。これにより両者は少数の共同的な測定結果のいずれかへ射影される。
• アリスは測定結果を通常の通信チャネルを通じてボブへ古典的に送る。
• ボブはこの古典情報を用いて自身の粒子に補正の量子操作を施し、その粒子を元のメッセージ状態の複製へ変換する。

このプロトコルは状態を転送するが、複製するわけではない。アリスの測定後、元の状態はアリス側にはもはや存在しない。したがって、事前のもつれと古典通信という二つの資源は、いずれも不可欠であり省略できない。

歴史と実験的発展

量子テレポーテーションは1990年代初頭に提案され、ほどなく実験研究の目標となった。最初の実験室での実証では、光子を用いて一つの粒子の状態を別の粒子へテレポートした。その後の実験では、原子、イオン、粒子の集団、超伝導回路へと対象が広がった。時代とともに、研究チームはより長い距離と高い忠実度を達成し、また、複数のテレポーテーション段階を接続して広域の量子ネットワークを構成するため、もつれ交換などの技術が開発された。

応用と例

テレポーテーションは、幅広い量子技術の構成要素である。量子通信では、ネットワーク内のノード間で量子ビットを転送でき、長距離リンクでの損失を克服する量子中継器の基礎をなす。量子計算では、ゲートテレポーテーション、モジュール間の量子情報の移動、誤り訂正方式に利用される。実装方法は多様であり、光学的テレポーテーションは長距離リンクに適し、トラップドイオンと超伝導量子ビットは小規模プロセッサで用いられる。連続変数量子テレポーテーションでは、光のモードとスクイーズド状態を扱う。

制約と重要な事項

テレポーテーションで可能なことは、いくつかの重要な制約によって決まる。測定結果を古典通信で送らなければならないため、光より速く情報を伝送することはできない。複製不可能定理により完全なコピーの作成は妨げられ、環境雑音や不完全なもつれは忠実度を低下させる。したがって実用的なテレポーテーションには、高品質なもつれの生成、系をデコヒーレンスから保護すること、信頼性の高い古典通信が必要となる。確率的テレポーテーション、もつれ蒸留、連続変数量子テレポーテーションといった変種は、異なる実験的能力に基本概念を適応させるものである。

区別すべき点：量子テレポーテーションが移すのは物体ではなく状態である。また、量子もつれと古典ビットの両方を必要とする。理想的なテレポーテーションは理論上、忠実度1の写像であるが、実際の実装では忠実度、成功確率、資源消費の間にトレードオフがある。さらに技術的な背景については、量子状態および量子もつれの入門、ならびに量子通信技術の概説を参照。