「量子もつれ」の瞬間を世界で初めて画像に記録、英研究チームが成功（記事全文は、ソースをご覧ください。）
https://wired.jp/2019/07/16/quantum-entanglement-photo/
2019.07.16 TUE 18:00
WIRED,TEXT BY SANAE AKIYAMA

2つの粒子が強い相互関係にある「量子もつれ」と呼ばれる現象を、英大学の研究チームが世界で初めて画像に記録することに成功した。今回の実験で得られた画像処理の技術は、量子コンピューティングや量子暗号の進化にも貢献することが期待されている。

（写真）PHOTOGRAPH BY SCHOOL OF PHYSICS AND ASTRONOMY, UNIVERSITY OF GLASGOW
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ミクロの世界を正しく説明するうえで欠かせない量子力学に、「量子もつれ」と呼ばれる現象がある。量子もつれとは、2つの粒子が強い相互関係にある状態であり、粒子のスピン、運動量などの状態をまるで「コインの裏表」のように共有する運命共同体のような状態を指す。

例えば、一方の粒子を観測したときのスピンが上向きであれば、もう一方は瞬時に下向きになる。このような量子もつれにある2粒子間の状態は、どれほどの距離──たとえ銀河の端から端という途方もない隔たりがあろうが、維持されるのだという。この同期の速度が光の速度を超えるという、まるで空間など存在していないかのような非局所性から、偉大な物理学者アルバート・アインシュタインが、かつて「不気味な遠隔作用」と呼んだほどだ。

そんな量子もつれの状態を画像に収めることに、このほど英国のグラスゴー大学の研究チームが成功した。量子もつれの状態にある光子の様子を捉え、オープンアクセスの科学学術誌『Science Advances』で画像を公開したのだ。これは、量子もつれの判断基準とされる「ベルの不等式」の破れをもとに量子もつれを実験的に可視化する技術で、もつれ状態にある粒子ペアがひとつの画像に収められたのは今回が初めてだという。

・かくして「量子もつれ」は画像に記録された
マクロの世界における物質の状態は、観測者がいるかどうかに関わらず、すでに決定している。対してミクロの世界では、量子が実際にどのような状態にあるのかは、何かに“観測される”まで不確定だと考えられている。これまで量子もつれ現象は実験的には立証されていたものの、「観測されるまで状態が決定されない量子もつれ」を、いかに画像に収めるのかという実験的セットアップを考案するのは至難の業だった。

今回の実験では量子もつれ状態を確認するため、「ベルの不等式」と呼ばれる式が使用されている。「ベルの不等式」は、古典的に説明できる粒子の相関関係の上限を示した数式で、これによって実験が「量子的」なものなのか「古典的」に説明できるものなのかを区別できる。「ベルの不等式」の上限が破られると、実際に2つの粒子が量子もつれの状態にあることが示される。

（画像）研究チームは自発的パラメトリック下方変換（SPDC）と呼ばれる手法を用いて量子もつれ状態をつくりだした。IMAGE BY SCHOOL OF PHYSICS AND ASTRONOMY, UNIVERSITY OF GLASGOW
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研究チームは、自発的パラメトリック下方変換（SPDC）と呼ばれる手法によって、まず光子をもつれ状態にした。次にビームスプリッターによって光子対を2つに分割する。光子1の通路には通過の際にランダムに位相が決まるフィルター（0°、45°、90°、135°）を設置してあり、光子2はフィルターを通過せずにまっすぐに進む。研究チームは、光子1と、もつれた光子2の両方を同じタイミングで捉えたときにのみ検出できる超高感度カメラを設置し、これらの可視記録を作成した。

4つの異なる位相において見られる量子のもつれ画像は、実に4万フレームを組み合わせたものだ。光子ペアはフィルターを通る前に分割されているにもかかわらず、両方がフィルターの位相と同じ相転移をしているのが見てとれる。

■■略

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（画像）4つの異なる位相において見られる量子のもつれ画像は、実に4万フレームを組み合わせたものだ。光子ペアはフィルターを通る前に分割されているにもかかわらず、両方がフィルターの位相と同じ相転移をしているのが見てとれる。IMAGE BY SCHOOL OF PHYSICS AND ASTRONOMY, UNIVERSITY OF GLASGOW

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WIRED

あらゆる通信の分野で暗号の技術は不可欠なものとなっていますが、桁違いの計算能力がある量子コンピューターが完成すれば、現在の暗号は解かれてしまうと指摘されています。
これに対して、ＮＴＴは、量子コンピューターでも解けない次世代の暗号の実現に向けた新たな技術を開発しました。

暗号の技術をめぐっては、コンピューターの性能の向上とともにどんどん複雑化していますが、汎用性（はんようせい）の高い量子コンピューターが完成すると現在の暗号は解かれてしまうおそれがあり、次世代の暗号の開発が急がれています。

特に心配されているのが、現在の暗号が抱える弱点です。
この弱点は、暗号化された情報をわざと一部書き換えたうえで暗号を解く操作を大量に繰り返すと、得られた結果の規則性から、どのように暗号化したかが類推できるおそれがあるというものです。

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NHKニュース
https://www3.nhk.or.jp/news/html/20180426/k10011418321000.html

　ナチスドイツが第二次世界大戦中に使用した暗号機「Enigma（エニグマ）」はコンピュータ（計算機）ではなかったが、それで生成される暗号は非常に進んだものであったことから、暗号を解読するためには専用の解読機を開発する必要があった。
米CNETがその仕組みに迫った。

　タイプライターのようにも見えるその黒い金属の機械は木製の箱に収まっていた。
それは古道具屋に並ぶへんてこな品のようにも見えた。しかし、木箱に彫り込まれた黒い楕円形のロゴが、それが単なる古道具ではないことを示していた。

　「Enigma」とそのロゴには書かれていた。

　この機械がナチスドイツの使っていた暗号機であることをそのロゴが示していた。
Enigmaは、第二次世界大戦中にドイツ軍が無線を使ってやり取りするメッセージを暗号化するために使われていた。
この暗号機は当時最先端の装置で、世界で最も強力な暗号鍵を生成していた。
この暗号機のおかげで、ドイツの潜水艦Uボートは連合国側の商船を攻撃するのに必要な情報を互いにやりとりすることができた。
Uボートによる攻撃は大戦中を通じて英国に壊滅的な打撃を与え、数万人の生命を奪い、そして北米からの物資や兵員を運ぶ重要な補給ルートを遮断した。

　この暗号機が持つ力に促される形で、連合国側では暗号を破ってドイツ側のメッセージを解読するための取り組みが始まった。
この取り組みでは、複数の機械が使われ、また機密保持を誓った数学者らの力も必要とされた。
さらに海上での命知らずの行為が行われることもあった。

　この機械は計算機ですらなかった。Enigmaの専門家であるMark Baldwin氏は先ごろ、CBS Interactive（米CNETの親会社）で働く大勢の従業員の前でこの機械をデモしてみせたが、そのなかで同氏は「（Enigmaは）ある文字を別の文字に置き換えるだけ」と説明していた。

　Enigmaのキーボードには余計なものはなく、キーのどれかを押すと、すぐ後ろのランプボード（表示盤）に並んだ文字のいずれかでライトが点灯する。
ユーザーはメッセージをキーボードに打ち込み、ランプボード上で順番に点灯する文字列を書き留める。
この暗号化されたメッセージを、モールス信号に置き換えて無線で打電する。
このやり方なら、ユーザーは安心してメッセージをやりとりできる。
まったく同じに設定した別のEnigmaを使える人間にしかメッセージは解読できないと分かっているからだ。

　Enigmaの暗号機を見ただけでは、これが当時世界で最も優秀な技術を持つ専門家たちを困惑させていたというのは信じがたい。
だが当時、例えば英国のブレッチリーパーク（Bletchley Park）のような拠点では、Enigmaの暗号解読方法を見つけるために、そうした専門家たちによる極秘の取り組みが何年にもわたって続けられていた。

　「オーク材のケースに入ったこの機械は、どちらかというと古風なものに見えるだろう？」とBaldwin氏は言った。

　実際にEnigmaの歴史は第二次世界大戦よりも前までさかのぼる。今からちょうど100年前、Arthur Scherbiusというドイツ人の発明家がEnigmaの暗号機に関する特許を取得した。
電信経由でやりとりするメッセージの中身を隠せるように設計したこの機械を、Scherbiusは企業やその他の暗号化を必要としそうな人たちに売りつけようとした。
Scherbiusは1929年に事故死するまでこの試みを続けたが、結局さほど大きな成功には至らなかった。

　そしてScherbiusの死後、「彼の会社はドイツ政府に飲み込まれた」とBaldwin氏は述べた。
ドイツが進めようとしていた再軍備の動きが（それを禁じた）ベルサイユ条約に違反する可能性があったことから、同国政府ではそれを隠しておくのに役立つ技術を必要としていたためだった。

画像：Mark Baldwin氏による暗号生成のデモ。文字が別の文字に置き換えられる。
https://japan.cnet.com/storage/2018/03/09/6df64f4842331485e6be00d224eb3a02/enigma-machine-8600%201.jpg
画像：ある特定の暗号に対して、天文学的な数の解法が考えられる。
https://japan.cnet.com/storage/2018/03/09/39babc5ed044f0f126fb34f1084b9891/img-2035.jpg
画像：米海軍が暗号解読に用いたBombe。
https://japan.cnet.com/storage/2018/03/09/d907dc67210faba871cbb4bbde015b91/Cryptanalytic_Bombe.jpg
画像：英国のブレッチリーパークで、暗号解読の拠点となった施設。
https://japan.cnet.com/storage/2018/03/09/c808eadc3e46ce4de94e51786372b649/medium-carousel-bletchley-park.jpg

cnet_japan
https://japan.cnet.com/article/35115908/

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玉川大学は3月8日、量子エニグマ暗号トランシーバーをネットワークに応用し、安全性を高めた低遅延な全光ネットワーク技術を実証したと発表した。

同成果は、玉川大学 量子情報科学研究所の二見史生 教授、加藤研太郎 教授、谷澤健 准教授と、産業技術総合研究所(産総研) データフォトニクスプロジェクトユニットの研究グループとの共同研究によるもの。
詳細は、3月11日から15日まで米国カリフォルニア州サンディエゴで開催される国際会議「OFC2018 (Optical Fiber Communication Conference 2018)」で発表予定となっている。

近年、ITを用いたサービスは多様化の一途をたどっており、特に、大容量のデータが流れる「光ファイバー回線」における高度なセキュリティ化技術が求められている。

そうした状況を受けて玉川大学では、光ファイバー回線の安全性を高めるために「量子エニグマ暗号」の研究を行っている。
量子エニグマ暗号は、量子力学的現象を安全性の根拠とするもので、高い安全性を保障する。
また、原理的には低遅延で暗号・復号ができるという特徴もあり、既存の光ファイバー通信回線との相性もいい。

さらに、今後は今まで以上に大容量データの通信需要が増していくことを考えると、光ネットワークにおける消費電力、転送速度などの課題も解決する必要がある。

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フル高解像度(HD)映像のリアルタイム配信
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通信障害復旧を想定した経路切替
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マイナビニュース
https://news.mynavi.jp/article/20180308-597069/