中国研究チーム、13量子ビットの真のもつれを実現、光子を破壊せず

量子コンピュータは現在の従来型コンピュータでは処理できない問題を解決することが期待されているが、十分な量子ビットを協調動作させることは依然として大きな課題である。このほど、中国研究グループが新たな研究において、小規模なもつれたマイクロ波光子を、接続過程で光子を破壊することなく、より大規模でプログラマブルな量子ネットワークに組み合わせる方法を示した。彼らは13個の光子量子ビット間の真のもつれを示すことに成功し、より拡張性の高い量子計算および通信システムへの道を開いた。この課題は、いかにしてこれらの接続を確実に確立するかにある。量子ビット（qubits）はもつれを通じて接続できるが、これは共有状態を独立に記述できない量子現象である。

科学者たちはこれらの接続をグラフ状態と呼ばれる構造に配置でき、これらは量子計算と通信のリソースとして機能する。清華大学の量子研究者である張宏毅氏は、「大規模光子グラフ状態は量子通信、量子ネットワーク、測定ベースの量子計算における重要なリソースである」と述べている。

小規模なもつれ状態を接続する方法の一つは、融合プロセスを通じてそれらを結合し、より大規模な状態を形成することである。しかし、従来の線形光学システムで用いられる融合方法は通常確率的であり、つまり一部の試行が失敗することを意味する。試行の繰り返しと追加のハードウェアにより、より大規模な状態の構築がますます困難になる。研究グループは、超伝導回路を用いて小規模なもつれたマイクロ波光子を組み合わせる戦略を導入した。この方法は単一プロセスで巨大なもつれ状態を作るのではなく、より小さな準備済み状態を接続することでより大規模なネットワークを構築する。このアプローチの鍵は、量子非破壊測定と呼ばれる技術にある。

量子非破壊測定技術

光子を吸収または破壊する測定とは異なり、この方法では光子を保持したまま情報を抽出できる。今回の実験では、測定によってペアの共通量子状態も変化し、研究者たちがより小さなグラフ状態を接続できるようになった。張宏毅氏は、「量子非破壊測定を用いて確定的な融合を実現できるかを検討した。我々の目標は、確定的かつプログラマブルな融合操作を示し、それがより大規模で再構成可能な光子グラフ状態の組み立てへの実用的な道筋を提供することを証明することだった」と述べている。

研究者たちはまず、超伝導回路を用いて小規模なもつれたマイクロ波光子群を生成した。彼らは光子の異なる時間スロットに量子情報をエンコードし、情報が異なる到着時間で伝送できるようにした。次に、量子非破壊検出器を用いて選択された光子対を測定し、それらをベル状態と呼ばれる特定のもつれ状態に射影した。これにより、より小さなグラフ状態を光子を破壊することなく接続できるようになった。続いて、光子の周波数を調整すること（周波数チューニングとも呼ばれる）により、研究者たちはどの対を測定するかを選択し、より小さなグラフ状態がどのように接続されてより大規模なグラフ状態を形成するかを制御した。

これにより融合プロセスがプログラマブルになった。チームはまた、超伝導量子ビットのアクティブなリセットと再利用、および組み込みのエラー緩和を組み合わせ、環境との相互作用による量子特性の減衰の影響を抑制するのに役立てた。この方法により、研究者たちは13個の光子量子ビット間の真の多部もつれを示した。これはもつれが孤立した小グループに限定されるのではなく、グループ全体に広がっていることを意味する。この成果は、融合プロセスがより大規模で再構成可能な光子グラフ状態を生成できることを示している。張宏毅氏は、「我々の主な貢献は、確定的でプログラマブルかつ非破壊的な融合操作である」と述べている。

大規模光子グラフ状態の応用

大規模光子グラフ状態は、慎重に選ばれた測定をもつれ状態に対して実行することで計算が行われる測定ベースの量子計算を支援できる。また、量子ネットワークや量子誤り訂正スキームを前進させることもでき、これらは量子情報を誤りから保護することを目的としている。張宏毅氏は、「この研究は、より小さなオンデマンドのリソース状態を接続することで光子グラフ状態を拡張するアーキテクチャを提供する。これは将来の測定ベースの量子計算、量子ネットワーク、および潜在的な量子誤り訂正スキームに関連する。なぜならグラフ状態のサイズと接続性の両方が極めて重要だからだ」と説明している。

しかし、13個の量子ビット間のもつれを示すことは、実際の大規模量子コンピュータを構築することと同義ではない。システムは依然として、デバイスの精度、光子生成効率、検出器性能などの面で改善が必要である。したがって、研究者たちは現在、より多くの融合操作を実行し、より大規模で複雑なグラフ状態を生成するために、マルチ検出器アーキテクチャの開発を計画している。このアプローチが所要の性能を維持しながら効率的にスケールできるかどうかは、今後の観察が必要である。この研究は『Nature Physics』誌に掲載された。

拡張可能な量子計算の実現への鍵となるブレークスルー

中国研究チームの成功は、量子計算分野における重要な進展を示したものであり、特に量子ビット間のもつれ技術においてそうだ。量子非破壊測定を通じて、研究者たちは光子を損傷することなく情報の抽出と処理を行えるようになった。これは将来の量子計算および通信システムにとって極めて重要である。大規模光子グラフ状態の確立は、量子計算の効率を向上させるだけでなく、量子ネットワークの安定性と信頼性を高めることにもつながる。技術がさらに発展するにつれ、この研究はより大規模な量子コンピュータの実現への道を開き、現在の技術が直面する課題を解決する可能性がある。