量子レジスタ開発の進展

量子計算と通信は、従来のコンピュータではできない能力を約束するエキサイティングな分野だ。だけど、多くの量子ビット（キュービット）を使った大きなシステムを作るのは簡単じゃない。この問題に取り組む一つの方法は、量子ネットワークを開発することだ。ここでは、小さなグループのキュービット、つまり量子レジスタが、互いに効果的に通信できる。

この研究では、研究者たちが光のピンセットを使って量子レジスタを作った。光のピンセットは、小さな粒子を保持できる集束した光のビームで、光格子は、特定の配置で原子を作るためにレーザーのビームが重なり合ってできた構造だ。このレジスタは、ミラーの間で光が閉じ込められた光学キャビティの中に配置された原子の2次元配列で構成されている。

特定の方向を向けたレーザービームを使って個々の原子を操作することで、チームはそれぞれの原子から光子を放出させることができた。彼らは、非常に高い効率で原子-光子のエンタングル状態のペアを作れることを成功裏に示し、その効率は90%に近い。これは、量子情報がネットワークを通じて処理・共有できるシステムを開発するための重要なステップだ。

量子ネットワークには、安全な通信、分散型量子計算、精密測定、時計の同期など、さまざまな応用の可能性がある。提案されたデザインには、情報を処理するための固定されたキュービットを持つノードと、それらを接続して量子データを交換する光ファイバーが含まれている。

しかし、光ファイバーの損失や伝送中に発生するエラー、実際の実装は挑戦に直面している。一つの解決策として、各ノードにスケーラブルなマルチキュービットレジスタを使うことが提案されている。これにより、損失に対抗し、エンタングルメント蒸留やエラー修正の技術を用いることで信頼性を向上させるコミュニケーション方法が改善できる。

主要な目標は、各キュービットを個別に制御でき、量子ネットワークにリンクするために光子に接続できるレジスタを構築することだ。研究者たちは、キャビティ量子電気力学の技術と原子ベースの技術を組み合わせてこれに取り組んでいる。キャビティは原子と光子をつなげるブリッジの役割を果たし、光格子は原子を安定して配置し、ピンセットは望ましいセットアップの迅速な組み立てを可能にする。

大きな光のピンセットの配列が数百のキュービットを持つレジスタを作れる可能性があるものの、以前の実験ではキャビティ内のピンセットの光学アクセスに苦労していた。キャビティ内でピンセットを使って原子を捕まえる試みは限られており、個々の原子キュービットを制御できる能力を示したものはなかった-これは機能的な量子ネットワークにとって重要な要件だ。

光のピンセットの配列と光格子を使って、この研究は原子キュービットのグループを個別に制御することに成功した。研究者たちは、最大6つの原子からなる1次元および2次元レジスタを形成し、各原子を個別に操作して原子-光子のエンタングル状態を作成した。作成されたエンタングル状態の忠実度（精度）は、より多くのキュービットを追加しても一定に保たれ、より大きなシステムを構築できる可能性を示唆した。

研究者たちは、各試行で高い確率で原子-光子ペアを作成できるマルチプレクシング法を実装した。この作業は、量子ネットワーク全体でエンタングル状態を生成・共有することに近づくもので、未来の量子通信システムを構築する上で重要だ。

#実験設定

実験のレイアウトには、キャビティ内でルビジウム原子の2次元配列を準備・制御することが含まれている。レザービームは、個々の原子を操作するためにレンズを使ってキャビティに集束する。このターゲティングは、レーザーを必要な正確な位置に移動する高精度デバイス、音響光学偏向器によって可能になっている。

望ましい原子配置を作るために、実験は静的なピンセットの配列から始まり、冷たい原子を磁気光学トラップから無作為に捕まえた。次に、特定の配置を作るためにレーザーでさらに冷却された。研究者たちは、ロードされた原子の画像をキャプチャし、この情報を使用して原子を望ましい順序配列に再配置するためにさらに多くのピンセットを追加した。

6つの原子の配列を取得する成功率は、以前の方法と比較して大幅に改善され、研究者たちは以前よりも多くの原子を集めることができた。

#操作シーケンス

原子を準備した後、それらはピンセットから2つの定常波トラップで構成された2次元光格子に移される。このプロセスにより、キャビティ内で原子の confinement が改善され、ピンセットだけでより大きな配列が可能となる。

安全に配置された後、原子は状態遷移を制御するレーザービームで照らされる。原子から放出される光子は、大部分が特別な検出デバイスを通ってキャビティ内を通過し、研究者たちが最適な測定のために光子の検出基準を切り替えることを可能にする。

最初の設定の後、研究者たちは、原子を正しい状態にポンプし、各原子から徐々に光子の放出を引き起こすことで、エンタングル原子-光子状態のペアを生成した。このプロセスは、放出された光子が原子の状態に正しく対応することを確実にするために厳密に制御され、効果的なエンタングルメントを実現している。

チームは、放出された光子の偏光と原子の内部状態との相関を測定した。これにより、生成されたエンタングル状態の忠実度を正確に評価することができた。

#レジスタの性能

エンタングル状態の忠実度は、より多くの原子が追加されても一定に保たれ、エラーはキュービットレジスタのサイズに応じて増加しないことを示している。しかし、光子の放出効率は原子の位置によって異なり、キャビティの中心での効率が高いことが分かった。

測定結果によると、たった1つの原子が準備された時、グループは高い忠実度と効率を達成した。より大きな配列を形成すると、研究は効率が中心付近でピークに達し、原子が外側に移動するにつれて減少することを明らかにした。

この観察は、原子の数が一方向に限られている一方で、キャビティの縦軸に沿ってより多くの原子を置くようにシステムを調整できると研究者たちが結論づける手助けとなった。

#配列の拡大

より大きな2次元配列を作ろうとする中で、研究者たちはキャビティ内で原子を効果的に分離して配置した。これは、中央で最大の原子-キャビティカップリングを可能にするユニークなデザインによって実現された。

原子の配置は、定常波トラップの狭い幅によって制約されていた。多くの原子を配置できるスペースはあったが、現在の設定ではキャビティ内に2列しか許可されていなかった。将来的なデザインには、より大きな光トラップや追加の列が含まれるかもしれない。

#マルチプレクスされた原子-光子エンタングルメント

単一の原子が合理的な確率でエンタングルメントを生成・検出できる一方で、実用的な応用にははるかに高い成功率が求められる。複数のエミッターを使ったマルチプレクシング方式が、この目標を達成するのに役立つ。

単一の原子からエンタングル光子を成功裏に検出する確率が分かれば、レジスタに原子を追加することで、少なくとも1つのエンタングルペアを検出できる確率が非常に高まる。この技術は、通信を行う当事者が、タイミングや距離に基づいて成功した光子を生成したエミッターを特定できるようにする。

#結論

原子配列を作成するために使用された組み立て方法は、効率に深刻な制限を持っていた以前の量子通信設計を改善する可能性を秘めている。この新しいシステムは、研究者たちが推定するには、キャビティ軸に沿って約40の原子、そしてより広い方向に7つの原子を収容できるという。

原子間の距離がブロック半径よりも小さいため、キャビティ内での量子ロジック操作は実現可能であると考えられる。原子キュービットの総合的な相互接続性は、情報処理を効率的に行うことを可能にし、以前のデザインとは異なり、タスクを小さな操作に分解することに一般的に依存している。

結論として、この作業は、以前は達成不可能だと思われたレベルで情報を処理・共有できる実用的な量子ネットワークを構築する上での重要な進展を示している。この発見は、量子通信技術の将来の発展に対する有望な展望を示し、研究者たちが複数の量子デバイスをシームレスに接続できる大規模なシステムを考えることを可能にする。