量子通信技術が新たな進歩を遂げました！

オックスフォード大学の研究者らがネイチャー誌に発表した新しい研究では、2メートルの距離で86%の忠実度で決定論的な量子ゲートテレポーテーションが達成された。

研究者らは、この研究はさまざまな物理プラットフォーム上での大規模量子コンピューティングへの実現可能なアプローチを提供し、量子インターネットの基礎を築くものだと述べている。

分散型量子コンピューティング (DQC) は、パフォーマンスや量子ビットの接続性を損なうことなく大規模な量子回路を実装する理想的な方法であり、フォトニック ネットワークはそれらの回路内の相互接続層として適しています。

フォトニックネットワークを用いることで、量子ゲート転送（QGT）を通じてネットワーク内の物質量子ビット間で遠隔エンタングルメントを共有することができ、完全に相互接続された論理接続が可能になります。しかし、これには決定論的かつ反復可能な伝送プロセスが必要であり、これは従来の技術では保証できませんでした。

オックスフォードチームによるこの研究は、量子ゲート伝送の決定論的問題において画期的な進歩を達成しました。著者らが設計した伝送リンク上で高忠実度の決定論的伝送が達成され、グローバーの探索アルゴリズムが 71% の成功率で実行されました。

著者らは、複数の非局所的な 2 量子ビット ゲートから構成される分散量子アルゴリズムが実現されたのは今回が初めてであると説明しています。

一部のネットユーザーは、これは量子コンピューティングにおける大きなマイルストーンだとコメントした。

SF の「テレポーテーション」（マクロな物体のテレポーテーションを指す）とは異なりますが、プロセッサ間で量子情報を伝送することで、実用的な量子ネットワークの実現に近づくことができます。

遠隔エンタングルメントの確立

この研究の核となるアイデアは、量子もつれをリソースとして使い、量子ゲート伝送を介して2つのモジュール内の量子ビット回路間で非局所的な量子ゲート操作を実行することです。

まず、2メートル離れた2つのイオントラッピングモジュール（量子通信の分野では一般に「アリス」と「ボブ」と呼ばれます）が、それぞれ88Sr+イオンと43Ca+イオンを貯蔵し、異なる役割を果たします。

• 88Sr+イオンは、422nm単一光子との効率的な結合を量子インターフェースとして利用し、ネットワーク量子ビットとして使用されます。
• 43Ca+イオンは、磁気的に不感な基底状態超微細レベル符号化回路量子ビットを活用し、また、局所操作に参加するための補助量子ビットとしても機能します。

2つのモジュールは、まず光子交換によってSr+イオン間の長距離エンタングルメントを確立します。次に、このエンタングルメントを量子チャネルとして用い、局所演算と古典通信を組み合わせることで、論理ゲート演算をあるモジュールから別のモジュールに「伝送」し、物理的な距離を越えた量子コンピューティングを実現します。

最初のステップは、2 つの Sr+ イオン間の長距離エンタングルメントを確立することです。

具体的には、各 88Sr+ イオンは波長 422nm のレーザーによって励起され、一定の確率で基底状態から 5P1/2 励起状態へ遷移し、その後、σ± 偏光単一光子を放出しながら、5S1/2 基底状態の 2 つのゼーマンサブレベルへ自発的に放射します。

このプロセスでは、最大のイオン-光子エンタングルメント状態が生成される可能性が高くなります。

収集された 422nm の単一光子はシングルモード ファイバーに導入され、リモート ベル状態分析器で混合されます。

2 つの光子がビームスプリッターの 2 つの入力ポートに同時に到達すると、 Hong-Ou-Mandel 干渉が発生し、同じ出力ポートをめぐって「競合」します。

2つの検出器がそれぞれ同時計数時間ウィンドウ（光子コヒーレンス時間とほぼ等しい）内に光子を検出すると、2つのSr+イオンは最大限にエンタングルメントされたベル状態に投影されます。このプロセスはエンタングルメントスワッピングと呼ばれます。

ベル状態分析器が一致する検出結果（各検出器によって 1 つの光子が検出される）を示した場合、2 つの Sr+ イオン間の長距離エンタングルメントが正常に確立されたことを示します。

検出が成功すると、両者は直ちに後続の量子操作を開始します。検出が失敗した場合は、成功するまで上記の手順が繰り返されます。

Sr+イオン間のゼーマン状態のエンタングルメントを確立した後、674nmレーザーを使用して、2つのSr+イオンの基底状態をより強い結合による光遷移に迅速に転送し、後続のローカル操作でのエンタングルメントのデコヒーレンスを回避します。

実験では、1回の試行に1168ナノ秒かかり、平均すると1回のエンタングルメント確立に7084回（約103ミリ秒）の試行が必要でした。遠隔エンタングルメント状態の忠実度は96.89%に達しました。

モジュール内のローカル操作

リモートエンタングルメントが確立されると、各モジュール内でローカル操作を開始できます。

Ca+ 量子ビットが Sr+ イオンとエンタングルメントするためには、 Ca+ 回路量子ビットに保存されている量子状態を一時的に Ca+ 補助量子ビットにマッピングする必要があります。

この操作は、数十マイクロ秒間持続する波長 397 nm と 866 nm の 2 つのラマン レーザー パルスを使用して実現されます。

次に、 Sr+ 補助量子ビットと Ca+ 補助量子ビットの間でローカル CZ ゲートが実行され、Sr+ 補助量子ビットと Ca+ 補助量子ビット間のエンタングルメントが最大化されます。

使用される方法は、モルマー・セーレンセンエンタングルメントゲートであり、このゲートでは、2 つのイオンが同時に一対の青/赤の離調ラマンレーザーにさらされ、レーザー周波数の差はイオンチェーンの適切な集団振動モード周波数に近くなります。

実験では、波長402 nmのラマンレーザーペアを使用して、Sr+の5S1/2-4P2/3遷移（408 nm）とCa+の4S1/2-4P1/2遷移（397 nm）を同時に結合させることで、両方のイオンに同時にスピン依存力を適用し、理想的な相互作用を得ました。

一方、複合パルス方式によりイオン加熱を抑制することで、99% を超える局所エンタングルメント忠実度が達成されます。

CZ ゲート操作が完了すると、2 つのラマン パルスを使用してCa+ 補助量子ビットの量子状態を回路量子ビットにマッピングし直し、元のエンコード方式を復元します。

このプロセス全体は、Sr+ 光量子ビットと Ca+ 回路量子ビットの間に制御された位相ゲートを実装することと同等です。

イオン測定と古典輸送

伝送プロセスにおける次の重要なステップは、2 つの量子ネットワーク ノードがそれぞれの Sr+ イオンに対して中間測定を実行し、測定結果を従来のチャネルを介して交換して、あるノードから別のノードへの論理ゲート操作の伝送を完了する必要があることです。

各ノードにおいて、Sr+イオンの|S1/2⟩および|D5/2⟩状態は、波長422nmのレーザーを用いて測定基板上で回転される。その後、フッ素光検出器技術を用いてSr+イオンの状態を測定し、測定時間は500μsに設定される。

|S1/2⟩状態のSr+イオンは422nmレーザーと結合して顕著な蛍光信号を生成します。一方、|D5/2⟩状態のSr+イオンは422nmレーザーと結合しないため、蛍光を発しません。

蛍光が検出されたかどうかを判定することで、Sr+の測定結果を識別し、0または1の値を持つmAおよびmBとして表示することができます。

Sr+ 中間測定の結果が得られたら、2 つのノードは、後続の単一量子ゲート操作を調整するために、古典チャネルを介してローカル測定結果 (mA または mB) を直ちに相互に送信する必要があります。

ここで、「古典チャネル」とは、低遅延、高忠実度の情報伝送チャネルを指し、量子チャネルとは異なります。

実験では、2 つのノード間に TTL 信号線が確立され、2 つのノードの FPGA 制御システムに直接接続され、伝送遅延はわずか 25ns でした。

TTL 信号の高レベルと低レベルは、測定結果 mA と mB が 0 または 1 であることを示します。事前に設定された通信プロトコルを通じて、両者はこの情報を迅速に交換して解釈できます。

さらに、双方の時計が確実に同期されるように、実験では共通の基準として原子時計も導入されました。

各ノードは、相手側からの測定結果を取得した後、mAとmBの組み合わせに応じて、ローカルCa+回路量子ビットに対して条件付き単一量子ゲート操作を実行します。

mA ⊕ mB = 0 のとき、アイデンティティゲートが実行されます（何も行われません）。mA ⊕ mB = 1 のとき、Zゲートが実行されます（π位相に相当）。（⊕はXOR演算を表します）

この操作は、Ca+ 量子状態に対する途中測定の影響をカバーし、最終的に論理ゲートを 1 つの Ca+ から別の Ca+ に転送できるようにします。

グローバーの検索アルゴリズムは正常に実行されました

異なる入力状態に対して量子ゲート操作と量子状態トモグラフィーを実行することにより、著者らはこの量子ゲート転送方式の忠実性をテストし、次のような結果が得られました。

• CNOT ゲートの送信忠実度は 86.2% で、理論上の限界をわずかに下回っています。
• iSWAP ゲートの送信忠実度は 70% で、2 回の量子ゲート送信が必要です。
• SWAP ゲートの送信の忠実度は 64% で、3 回の量子ゲート送信が必要です。

この結果は、この方式により、2 つの遠隔量子ビット間で任意の 2 量子ゲート操作を高い忠実度で伝送できることを示しています。

長距離エンタングルメントの忠実度は理論限界に近い 96.89% に達し、高品質の量子ゲート伝送の基礎となります。

量子保存プロセスの忠実度も 98% と高く、Ca+ イオンが量子情報を非常にうまく伝達できることが証明されています。

著者らはこの基礎を基にして、量子ゲート伝送に基づく分散量子回路も構築し、グローバーの探索アルゴリズムを正常に実行しました。

グローバーのアルゴリズムは、ソートされていないデータベース内の特定のターゲットを二次的な高速化によって見つけることができる量子検索アルゴリズムです。

この実験では、2メートル離れた2つの量子モジュールを使用して、グローバーのアルゴリズムの単純な2量子ビットバージョンを実装しました。

アルゴリズムの基本的なプロセスは、まず量子ビットを等確率で重ね合わせ状態に準備し、次に Oracle 回路を通じてターゲット状態をマークし、最後に Diffusion 回路を使用してターゲット状態の振幅を増幅することです。

この分散システムでは、Alice モジュールと Bob モジュールがそれぞれ Oracle 操作と Diffusion 操作を担当します。

この実験では、さまざまなターゲット状態に対して 71% の成功率が達成され、量子アルゴリズムを実行する分散型量子コンピューティング システムの実現可能性が初めて証明されました。

論文リンク: https://www.nature.com/articl...