オーストリア科学技術研究所（ISTA）の研究チームは、外部からの能動的な制御や繰り返しの測定を必要とせずに、離れた場所にある2つの量子ビット（qubit）を自律的に量子もつれ状態にする手法を実験的に実証しました。この成果は、約20年前に提唱された理論的予測を裏付けるもので、将来的な大規模量子ネットワークや量子コンピューティングの基盤となる可能性があります。
本研究は、物理学術誌『Physical Review X』に掲載されました。研究チームは、ドイツ、スペイン、およびオーストリアの共同研究者らと共に、相関を持つ光粒子の「量子バス（quantum bath）」を用いることで、分散量子もつれの安定化に成功しました。
「量子バス」による自律的な同期メカニズム
量子もつれは、古典物理学では説明できない粒子間の相関であり、量子ネットワークにおいて任意に長い距離でコヒーレントなリンクを構築するための重要なリソースとなります。しかし、従来の分散量子もつれの生成手法には課題がありました。
一般的によく用いられる手法には、制御された光子を一方の量子ビットから他方へ送る方法や、両方の量子ビットから放出された光子を照合させる方法があります。後者は2022年のノーベル物理学賞の対象となったプロトコルですが、これらの手法はレーザーのオン・オフを極めて精密な順序で制御する必要があり、また繰り返しの測定やポストセレクションに依存するため、常に量子もつれを生成できるわけではありません。
これに対し、ISTAのヨハネス・フィンク教授と博士課程の学生であるアレハンドロ・アンドレス＝フアネス氏らが実証したのは、相関を持つ光子状態の広帯域リザーバーである「量子バス」に量子ビットを結合させる手法です。この環境において、バスと量子ビットの間の干渉効果により、量子ビットが同時に励起または脱励起されるよう強制され、その結果として量子もつれが生成されます。
連続変数から離散量子もつれへの変換
今回の手法の核心は、比較的生成しやすい「連続変数」の量子もつれを、量子ビットに必要な「離散的」な量子もつれへと変換することにあります。この理論は2003年にドイツのマックス・プランク量子光学研究所のバーバラ・クラウス氏とイグナシオ・シラック氏によって提案されていました。
研究チームは、ジョセフソン・パラメトリックコンバータを使用して、マイクロ波光子を「2モード・スクイーズド状態」に配置し、相関を持つ光子リザーバーを構築しました。アンドレス＝フアネス氏は、今回の研究についてreadily available（容易に利用可能）な形式と、実用的な形式の量子もつれの間の不一致を克服することを目指したと述べています。また、このアプローチにより、リモートで量子もつれ状態を安定化させることができ、能動的な制御や測定を必要としない完全な自律性が実現したとしています。
実験結果と今後の課題
今回の実験では、量子ビットと量子もつれを誘発する光子の間に50センチメートルのケーブルを介して距離を置きましたが、このスキームは理論上、任意の距離に適用可能です。また、量子情報の制御に適しており、現在の超伝導量子ビットシステムを支えている低エネルギーのマイクロ波光子が使用されました。
今後は、この手法の効率を高めることで、複数のノードを持つ大規模な量子ネットワークの基礎として活用することが期待されています。量子コンピューティングにおいて、量子ビットのコヒーレンスを維持し、計算に十分な時間もつれ状態を保持させることは極めて困難な課題ですが、環境（量子バス）そのものを量子もつれのソースとするこの手法は、新たなアプローチを提供することになります。
手法の比較まとめ
| 技術 | 制御・測定の必要性 | 特徴 |
|---|---|---|
| 従来手法（光子送受信・照合） | 必要（能動的制御・繰り返し測定） | 精密なタイミング制御が必要。常に成功するとは限らない。 |
| 量子バス手法（本研究） | しないでください（完全に自制心） | 相関光子のリザーバーにより、外部制御なしで量子ビットを同期させる。 |
研究チームは、10億分の1秒という極めて短いマイクロ波パルスを用いて量子ビットの状態を測定し、結果を検証しました。アンドレス＝フアンス氏は、測定によって量子状態が崩壊する「デコヒーレンス」が量子コンピューティングの根本的な問題であると指摘しています。