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2026-02-24 15:11:00
インサイダーブリーフ
- TU Wienの研究者と中国の共同チームは、4レベルのフォトニックシステム(量子ビット)で動作する新しいもつれ量子論理ゲートを実証し、高次元の光量子コンピューティングに向けた重要な一歩を示した。
- このゲートにより、4 つの異なる軌道角運動量状態でエンコードされた 2 つの光子の制御された相互作用、もつれ、もつれ解除が可能になり、従来の 2 状態偏光ベースの量子ビットを超えて拡張されます。
- 実験的に実現された予告されたプロトコルにより、研究者はゲート操作がいつ成功するかを検証できるようになり、将来の量子情報技術の効率、安定性、情報密度が向上する可能性があります。
- 画像: 新しい量子ゲートは、通常の量子ビットでは 2 つではなく 4 つの量子状態を処理できます。 (アレクサンダー・ロンメル/ウィーン工科大学)
プレスリリース — 量子コンピューティングはバイナリである必要はありません。ウィーン工科大学と中国の研究グループは、新しい種類の量子コンピューターの重要な構成要素を達成しました。新しいタイプの量子論理ゲートの実現により、それぞれ 4 つの異なる量子状態、またはその組み合わせにある光子のペアに対して量子計算を実行することが可能になります。これは、光量子コンピューターにとって新たな機会を開く重要なマイルストーンです。この研究は現在、科学雑誌「Nature Photonics」に掲載されています。
量子ビットの代わりに量子ビット
量子コンピューターの基本的な考え方はシンプルです。古典的なコンピューターは値「0」と「1」でのみ動作しますが、量子物理学ではこれらの状態の任意の組み合わせが可能です。ある意味では、量子ビット (「量子ビット」) は同時に状態 0 と 1 になる可能性があります。これにより、同等の古典的なコンピューターよりもはるかに速く一部の問題を解決できるアルゴリズムを開発することが可能になります。
ただし、そのような重ね合わせには原則として 3 つ以上の状態が含まれる可能性があります。考慮する自由度に応じて、光子のような量子システムには 2 つの異なる設定 (電位測定の 2 つの異なる結果) だけでなく、多くの設定がある可能性があります。この場合、システムを「量子ビット」ではなく「量子ビット」と呼びます。量子計算の場合、これは大きな利点をもたらす可能性がありますが、最終的には、そのような 2 つの量子ビットが制御された方法で相互作用できるメカニズムが必要になります。ウィーン工科大学の研究チームは、2 つの光子でエンコードされた 2 つの量子ビットを共同で処理するスキームを理論的に設計することができました。また、中国のチームは、このスキームを研究室で実現することに成功し、その結果、革命的な応用が期待できる新しいタイプの量子ゲートが誕生しました。
4次元の量子物理学
これまで、光子を使った量子コンピューティング実験は、光子の偏光、つまり 2 つの異なる測定結果が考えられる特性に依存して実行されることが多かった。量子物理学の観点から見ると、北東に歩くときに北と東に同時に移動するように、光子はこれら 2 つのオプションを重ね合わせることができます。
「私たちは根本的に異なる方法で光子を使用します」とウィーン工科大学原子・素粒子物理学研究所のニコライ・フリス氏は説明します。 「私たちは偏光ではなく、異なる軌道角運動量に対応して無限に多くの異なる状態をとることができる光子の空間波形に興味があるのです。」
Nicolai Friis を取り巻くチームは、そのような 2 つの光子を扱う手順を開発しました。両方の光子は、異なる波形を任意に重ね合わせることができます。高度な操作により、最初は独立していた 2 つの光子を結合状態、いわゆる「もつれ」状態にすることができます。同様に、新しい量子ゲートを使用して、もつれ合った 2 つの光子を制御された方法で分離し、光子の状態を再び互いに独立させることもできます。
量子コンピューターを構築し、複数の入力に対して計算を実行するには、まさにそのような操作 (エンタングル量子ゲート) が必要です。最初の実験では、研究者らは 4 つの異なる状態を扱うことにしました。 「これは、南北方向と東西方向に加えて、さらに 2 つの軸にアクセスできるようなものです」とフリス氏は言います。 「ある意味、人は 4 次元空間内を移動しているので、そのような状態を任意に組み合わせて作業することができます。」
それがうまくいったかどうかはわかります
彼らの理論的アイデアを実現するには、新しいプロトコルが必要なだけでなく、最先端の技術と実験精度を大幅に向上させることも必要でした。この分野で、中国の Hui-Tian Wang チームは目覚ましい進歩を遂げました。
「私たちは、4 つの異なる状態の組み合わせで準備できる 2 つの光子で動作する量子論理ゲートの実現に成功しました」と Nicolai Friis 氏は述べています。 「私たちは光子を絡ませることができます。そしてそれを予告された方法で行うことができます。つまり、プロトコルがいつ機能したかを知ることができます。そして、うまくいかなかった場合は手順を繰り返すことができます。これが実際に必要なことです。」
#研究者が高次元量子論理ゲートを構築