量子テレポーテーションをQiskitで実装する｜状態を"転送"するしくみ

「量子テレポーテーション」という名前は派手ですが、モノが瞬間移動するわけではありません。量子ビットの"状態"を、もつれと古典通信を使って別の量子ビットへ移すプロトコルです。量子ネットワークの土台になる技術を、Qiskitで実装して確かめます。

しくみ: もつれ＋古典通信

送りたい状態を持つアリスと、受け取るボブが、あらかじめもつれたペアを共有しておきます。アリスが手元で測定し、その結果（古典ビット2つ）をボブに伝えると、ボブは自分の量子ビットを補正して元の状態を復元できます。

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光より速くはない

状態を復元するにはアリスの測定結果（古典ビット）が必要で、それは普通の通信で送ります。だから光速を超えて情報は伝わりません。ここが「テレポーテーション」の誤解しやすい点です。

準備

pip install qiskit qiskit-aer

① 転送したい状態を用意する

q0に「転送したい状態」を作ります。今回はアダマール＋Tゲートで適当な重ね合わせにします。

from qiskit import QuantumCircuit

qc = QuantumCircuit(3, 3)   # q0=送る状態, q1=アリス, q2=ボブ
qc.h(0)
qc.t(0)                     # 何か特徴のある状態にしておく
qc.barrier()

② もつれペアを配る

q1・q2をもつれさせ、アリス(q1)とボブ(q2)が共有します。

qc.h(1)
qc.cx(1, 2)
qc.barrier()

③ アリスの操作と測定

q0とq1をベル基底で測定します。

qc.cx(0, 1)
qc.h(0)
qc.measure(0, 0)
qc.measure(1, 1)
qc.barrier()

④ ボブの補正（古典制御）

アリスの測定結果（古典ビット）に応じて、ボブがXとZで補正します。Qiskitの現行APIでは if_test を使い、個別の古典ビットで条件分岐します。

with qc.if_test((qc.clbits[1], 1)):   # q1の測定が1ならX
    qc.x(2)
with qc.if_test((qc.clbits[0], 1)):   # q0の測定が1ならZ
    qc.z(2)

⚠️

古い c_if は使えない

昔の記事にある qc.x(2).c_if(...) はQiskitのバージョンアップでAPIが変わり、現行（Qiskit 2系）では動きません。with qc.if_test(...) が現在の書き方です。また条件はレジスタ全体の値ではなく、補正したい個別のビットに対して書くのがポイント。

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検証のコツ

本当に転送できたか確かめるには、最後にq2へ「①でかけた操作の逆」をかけて測定します。完全に転送できていれば、q2は必ず 0 に戻るはず。ズレがあれば実装のどこかが間違っています。この「逆操作で0に戻るか」テストは量子回路デバッグの定番です。

逆操作テストで確かめる

from qiskit_aer import AerSimulator

# ①の逆（T†→H）をq2にかけて測定
qc.tdg(2)
qc.h(2)
qc.measure(2, 2)

result = AerSimulator().run(qc, shots=1000).result()
counts = result.get_counts()

# q2（左端ビット）が常に0なら成功
q2_zero = sum(v for k, v in counts.items() if k[0] == "0")
print("q2=0 の割合:", q2_zero / 1000)   # 1.0 になる

q2=0 の割合: 1.0 ——アリスの手元にあった状態が、もつれと2ビットの古典通信だけでボブへ完全に転送できました。

まとめ

量子テレポーテーション＝もつれ＋古典通信で状態を別の量子ビットへ移す
モノも情報も光速を超えては伝わらない（古典ビットの送信が必須）
ボブは測定結果に応じてX/Zで補正して復元する
「逆操作で0に戻るか」で転送成功を検証できる

もう少し詳しく（背景と理論）

量子テレポーテーションは Bennett et al. (1993) が提案し¹、未知の量子状態を「もつれ＋2古典ビットの通信」で別の量子ビットへ移します。状態そのものは複製されず元は壊れるため、複製不可定理（未知状態はコピーできない）と矛盾しません²。また補正に必要な古典ビットは通常通信で送るので、光速を超えて情報は伝わりません（相対論と整合）³。1997年に光子で初の実験実証が行われ、以後もつれ交換や量子中継器へと発展し、量子ネットワークの基盤技術になっています⁴。

次の一歩 🌸

もつれの基礎は量子ビット超入門、回路の書き方はQiskit入門、状態ベクトルの裏側はNumPyで作る量子シミュレータへどうぞ。

Bennett, C. H. et al. (1993). "Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels." Phys. Rev. Lett., 70, 1895. ↩
Wootters & Zurek (1982) の複製不可定理により、未知の量子状態を複製することはできない。テレポーテーションは「移動」であって「複製」ではないため両立する。 ↩
ボブは古典ビット（測定結果）が届くまで正しい状態を復元できない。この古典通信が光速に縛られるため、超光速通信はできない（no-signaling）。 ↩
もつれ交換（entanglement swapping）と量子中継器により、遠距離のもつれ配送＝量子インターネットの実現が目指されている。 ↩