量子の光と相対論で装置の位置を検証する

約2キロメートル離れた二つの検証局が、その間に置かれた装置へ信号を送る。装置は届いた光を測定し、素早く応答しなければならない。中国の研究チームはこの構成を使い、装置の位置を74.3メートルの範囲内で検証した。この試験は、情報の複製に制限を課す量子物理学と、どのような信号も真空中の光速を超えられないとする相対論を組み合わせている。

Guan-Jie Fan-Yuan、Yang-Guang Shan、Cong Zhangらの研究は、2026年9月3日に学術誌Nature Physicsで発表された。チームには中国科学技術大学と広東工業大学の研究者が参加している。問いは具体的だ。別の場所にいる何者かが装置に代わって応答しようとしても、その装置が申告した場所に本当にあると、どうすれば確かめられるのか。

実験では、装置はそれぞれの検証局から約980メートルの位置にある。各ラウンドで各局が20ビットを送信する。ビットとは、ゼロか一の値を取る情報の単位だ。一方の局は非常に弱いレーザーパルスも送り、その偏光、つまり光の振動の向きに量子情報を載せる。

装置は二つの通常のメッセージを合わせて40ビットの入力を作る。あらかじめ合意した規則に従い、この入力から偏光をどう測定するかを選ぶ。この選択が測定基底であり、光信号を正しく読み取るための分析器の設定を意味する。測定後、結果は直ちに両方の検証局へ返される。

検証局は答えと、その到着時刻の両方を調べる。答えからは光が想定どおりに測定されたかが分かり、時刻からは答えが届き得る場所が制限される。遅延が大きいほど信号が移動できる時間が増えるため、候補となる位置の範囲も広がる。

通常の情報は共謀者どうしで複製し、転送できる。そのため追加の保証がなければ、この種の情報だけに頼る位置検証は欺かれ得る。量子情報はこの問題を変える。任意の未知の量子状態を、すべて完全に複製できる操作は存在しない。また、正しい測定基底を知らずに光を測れば、適切な答えを得られなくなることがある。なりすます側は、期限を超えずに受け入れ可能な応答を作らなければならない。

実用面での進展の一つは、毎回必ず一個の光子を放出する理想的な光源を求める代わりに、減衰させたレーザー光、すなわち強度を大幅に下げた光を使ったことだ。光子は光のエネルギーの単位である。こうしたパルスには光子が含まれない場合も、一個または複数含まれる場合もある。研究者はこの分布を安全性の分析に取り入れ、情報の横取りを有利にし得る複数光子のパルスについては最悪の条件を仮定した。

検証では誤った応答や、光の損失などによって応答がないラウンドも数える。それぞれの事象に重みを付けて得点を計算し、モデルの条件下で攻撃者について求めた上限を超えた場合にだけ装置を受け入れる。したがって、一度正答するだけでは足りず、一連の結果が想定した動作と整合している必要がある。

遅延を減らすため、チームは異なる波長を別々の通信経路として使い、ビットを同時に送った。波長とは、光の振動が空間で一周期繰り返す距離のことだ。さらに、主に空気中で光を導く中空コア光ファイバーを使い、伝わる速さを真空中の光速に近づけた。中央の装置では、回路がメモリーに読み込んでおいた表を参照して測定方法を選ぶ。応答中に規則全体を一から計算する必要をなくした。

実施した試験は五回で、それぞれ1000万ラウンドからなる。装置が所定の手順に従った五回すべてで、得点は必要な基準を超えた。システムは毎秒200万ラウンドで動作し、各試験のデータは数秒で集まった。この繰り返しは装置の動作について統計的な証拠を与えるが、独立した五つのチームによる再現を意味するものではない。

追加の遅延は最大247.8ナノ秒だった。一ナノ秒は十億分の一秒に当たる。これは信号が真空中の光速で理想的な経路を進む時間に対する超過分であり、往復にかかった総時間ではない。この超過分が74.3メートルの検証範囲に対応する。測定した時刻と両立する位置の広がりを示しており、その中の正確な一点を特定したわけではない。

結果は、量子測定と伝播時間を組み合わせた物理的な試験によって、装置がその場にあるかを確かめられることを示した。許可された区域に装置がある場合だけ操作を認める仕組みにつながる可能性がある。今回の実験で示されたのは、調べた条件下でこの検証が実行可能だということだ。この構成の外でも同じ性能と安全性が得られるかは、今後実証する必要がある。