量子物理学：単一光子の多自由度の量子テレポーテーション
Nature 518, 7540 doi: 10.1038/nature14246
量子テレポーテーションでは、前もって共有されたエンタングル状態と古典通信チャネルの助けを借りて、量子状態を1つの物体から遠く離れた場所の他の物体へと「離脱」させることができる。テレポーテーションは、基礎科学的に興味深いだけでなく、長距離量子通信、分散量子ネットワーク、測定に基づく量子計算の重要な要素として認識されている。光子、原子、イオン、電子、超伝導回路などさまざまな物理系において、テレポーテーションは多数実証されてきた。これまでの実験は全て、1自由度のみのテレポーテーションに限定されていた。しかし、単一の量子粒子は、内部自由度と外部自由度、またそれらのコヒーレント結合といったさまざまな自由度を自然に持つことができる。未解決の基本的課題は多数の自由度を同時にテレポートすることである。これは、量子粒子を完全に記述するのに必要であり、従って量子粒子を完全にテレポートするのに必要となる。今回我々は、スピン角運動量と軌道角運動量の両方に符号化された単一光子の複合量子状態の量子テレポーテーションを実証する。我々は、テレポーテーションを行う量子チャネルとして、両方の自由度でエンタングルした（すなわち、ハイパーエンタングルした）光子対を使用し、確率的な量子非破壊測定を利用してハイパーエンタングルベル状態を射影し識別する方法を開発した。この方法は、より多自由度へと拡張できる。我々はスピン–軌道の積状態とハイブリッドエンタングル状態の両方に対してテレポーテーションを行い、古典限界を超える0.57～0.68のテレポーテーション忠実度を実現した。我々の研究は、より複雑な量子系のテレポーテーションに向けた一歩であり、スケーラブルな量子技術に対する我々の技術制御の向上を示している。
