光のねじれを使って大容量転送を可能にする!

何度となく、光の特性は研究界を驚かせています。例えば、光は、ウィーン大学物理学者アントン・ツァイリンガー氏が説明しているように、いわゆる光の螺旋を生み出すために、コークスクリュー状になることができます。驚くべき事実は、理論的には、個々の光粒子(光子)毎にいくつでも巻きを付けることができるという事です。巻の数が多ければ多いほど、光子を表すいわゆる量子数が増加します。ウィーンの科学者等は、現在、2つの研究論文において、この特性を利用し、て、伝送距離と量子数の大きさの過去の記録を破っています。

コークスクリューと聞くと、あしたのジョーで、WBC世界バンタム級チャンピオンだった、ホセ・メンドーサのコークスクリューパンチを思い出します。一撃でカーロス・リベラの頭蓋骨に大ダメージを与えた事実は衝撃的でしたが、そのパンチを百発以上浴びても、なお立ち続ける矢吹丈のタフさは異常でした。

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大容量情報転送

New records set up with ‘Screws of Light’

In principle, twisted light can carry an arbitrary large amount of information per photon. This is in contrast to the polarization of light, which is limited to one bit per photon. For example, data rates of up to 100 terabits per second, which correspond to about 120 Blu-Ray discs per second, have already been achieved under laboratory conditions.

「原理上は、捻れた光は、光子当たり任意の大量の情報を運ぶことができます。これは、光子ごとに1ビットに限定されている偏光と対照をなしています。例えば、毎秒、約120枚のブレーレイディスクに匹敵する、最大で毎秒100テラビット(100Tb/s)のデータ転送速度が実験室条件下で既に達成済みです。」

The transmission under realistic conditions, however, is still in its infancy. In addition to transmission over short distances in special fiber optics, transmission of such light beams over free space, required for instance for satellite communication, was limited to three kilometers so far; achieved by the same Viennese team two years ago (https://www.youtube.com/watch?v=OEupkfMqKGY).

「現実的な条件の下では、伝送は、しかし、未だ初期段階でしかありません。特殊な光ファイバーでの短距離の伝送に加えて、例えば、衛星通信などに要求される、自由空間上でのそのような光線の伝送は、今までのところたったの3kmに限定され、それも2年前に同じウィーンのチームによって達成された記録です。」

現実的には3kmでは、使い物にならないように思えますが、コンピュータ間を接続するのに使えるので、それはそれで使い道はあるみたいです。

In the current study, the research team around Anton Zeilinger and Mario Krenn show that information encoded in twisted light can still be reconstructed even after more than 100 kilometers. The experiment has been conducted between the canary islands of La Palma and Tenerife, which is 143 kilometer away.

「最近の研究で、アントン・・ツァイリンガー氏とマリオ・クレン氏周りの研究チームは、ねじれた光にエンコードされた情報は、100キロメートルを超えた後でさえなお、再構成が可能なことを発見しました。その実験は、143キロメートル離れた、カナリア諸島のラ・パルマとテネリフェ島の間で行われました。」

“The message ‘Hello World!’ has been encoded onto a green laser with an optical hologram, and reconstructed with an artificial neural network on the other island”, explains Krenn, PhD-student in Zeilinger’s group. Having shown that these light properties are in principle maintained over long distances, they now have to be combined with modern communication technologies – a task which already several groups around the world are starting to address.

「”ハローワールドのメッセージは、緑色レーザー上に光学ホログラムでエンコードされ、別の島で人工神経回路網を使って再構築されました。”と、ツァイリンガー氏グループの博士課程学生クレン氏は語った。こういった光の特性が、原理上は、長距離で維持される事を証明することで、それらは、今後、近代的な通信技術と組み合わせる必要があり、世界中でいくつかのグループが既に取り組み始めている課題です。」

万単位の量子数を持つ量子もつれ

Together with the research group of Ping Koy Lam in Canberra, Australia, the Viennese group of Anton Zeilinger also investigated how strongly single photons can be twisted into the screw-like structure without losing distinct quantum features. In other words, does quantum physics still hold in the limit of large quantum numbers or is classical physics and everyday experience taking over again?

「オーストラリア、キャンベラのピン・コイの研究グループと一緒に、アントン・・ツァイリンガー氏のウィーングループは、単一光子が明確な量子特性を失うことなく、どのくらい強くスクリュー状にねじれるかも詳しく調べました。換言すれば、量子物理学が、大きな量子数の極限でもなお持続するのか、あるいは、古典的物理学と日常体験が再び支配権を得るのか?という事になります。」

For this purpose, the researchers took advantage of a novel technique developed by their colleagues in Australia. There, they have established a technique to fabricate so-called spiral phase mirrors to twist photons in an unprecedented strong manner and thus increase the quantum numbers to huge values. The mirrors, custom-made for the experiment in Vienna, allow the generation of screw-like photons with quantum numbers of more than 10,000, which is a hundred times larger than in previous experiments.

「このために、研究者達は、オーストラリアの彼らの同僚達によって開発された新しい技術をうまく利用しました。そこで、彼らは、前例のない強度で光子を捻じ曲げ、結果、巨大な値へ量子数を増やすために、いわゆる、螺旋状位相鏡を作るための技術を確立しました。ウィーンでの実験のために特注されたその鏡は、過去の実験と比べ100倍多い、1万以上の量子数を持つスクリュー状光子の生成を可能にしています。」

捻っても量子もつれは健在

At first, the Viennese researchers generated entangled photon pairs, i.e. two particles of light that are seemingly connected despite being separated by an arbitrary distance. Entanglement is the distinct phenomena in quantum physics, which Einstein described as “spooky action at a distance”. After completion of this initial step, the researchers then twisted one of the photons with the Australian mirrors without destroying the entanglement, thus demonstrating that quantum physics even holds if 5-digit quantum numbers are entangled.

「最初、ウィーンの研究者は、もつれ光子対、すなわち、任意の距離によって分離されているにもかかわらず、一見つながっているように見える2個の光の粒子、を生成しました。エンタングルメントは、アインシュタインが、離れた場所の間で起こる奇妙な相互作用として表現した、量子物理学特有の現象です。この初期段階の完了後、研究者は、その後、もつれを破壊することなく、オーストラリアの鏡を使って、光子の一つを捻じ曲げることで、量子物理学が例え5桁の量子数がエンタングルされようと、通用することを証明しています。」

Although driven by foundational questions, future applications can already be anticipated. “The enormous complexity of the light’s structure is fascinating and can be seen as an intuitive indication about how much information should fit on a single photon”, explains Robert Fickler, lead author of the study and currently working as a postdoctoral fellow at the University of Ottawa, Canada.

「基本的問題主導ですが、将来の応用が既に期待されています。”光の構造の途方もない複雑性は、魅力的だし、1個の光子にどのくらいの量の情報を取り付けるべきかについての直感的な目安として見られ得ます。”と、研究論文筆頭著者でカナダのオタワ大学で博士研究員として現在働くロバート・フィックラー氏は説明した。」

Hence, in both studies the researchers set up novel records with “screws of light” to investigate foundational questions as well as pave the way to possible future technologies.

「そのような訳で、両方の研究で、研究者達は、実行可能な次世代技術への道を開くのはもちろん、基礎的問題を研究するために光の螺旋を使って、新たな記録を作っています。」

光のねじれを使えば、大量の情報をかなり長い距離伝送可能で、次世代量子インターネットや量子コンピュータ等の分野でも応用が可能かもしれません。

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