オックスフォード大学の研究チームが、4次の量子相互作用である「クアッドスクイージング」を初めて実証し、量子制御における重要な突破口を開いた。ネイチャー・フィジックス誌に掲載されたこの研究は、光波から分子振動まであらゆるものをモデル化する量子調和振動子において、複雑な相互作用を設計するための新しい方法論を提供している。
量子力学において、ハイゼンベルクの不確定性原理は、特定の性質の組み合わせ(位置と運動量など)を同時に完全な精度で知ることを妨げる。スクイージングは、この不確定性を「再形成」する技術であり、一方の性質を極めて正確にする代わりに、もう一方をより不確定にする。標準的な(2次の)スクイージングは、重力波を検出するLIGOのような技術で使用されているが、トライスクイージング(3次)やクアッドスクイージング(4次)のような高次相互作用は、本質的に弱くノイズの影響を受けやすいため、これまでほぼ理論上のものにとどまっていた。
オアナ・バザヴァン博士とラガヴェンドラ・スリニヴァス博士が率いるオックスフォードチームは、ハイブリッド振動子-スピン系を使用することで、従来の方法の限界を回避した。弱い高次相互作用を直接駆動する代わりに、単一の捕捉された88Sr+イオンを使用し、2つの非可換なスピン依存力(SDF)を適用した。
実験の主要な技術的側面は以下の通りである:
- 非可換性：互いの作用に影響を与える2つの線形力を組み合わせることで、チームはその部分の合計よりも強い新しい相互作用を生成しました。
- 速度：4次のquadsqueezing相互作用は、従来のアプローチより100倍速く生成されました。
- 多用途性：レーザー駆動力の周波数と位相を単純に調整することで、研究者たちは同じハードウェアを使用してsqueezing、trisqueezing、quadsqueezingを切り替えることができました。
研究者らは、位相空間における量子状態を可視化する方法であるウィグナー関数を再構成することで、相互作用を確認した。測定結果は、2次、3次、4次スクイージングの「指紋」として機能する特徴的な非ガウス形状を明らかにした。これらの高次状態は、計算の普遍性と誤り訂正に必要な非ガウスリソースを提供するため、連続変数量子計算に不可欠である。
この方法はプラットフォームに依存しないため、超伝導回路やダイヤモンド色中心などの他の量子システムにも適用できる。これらの相互作用を迅速かつ確実に設計できる能力は、以下の新しい扉を開く:
- 量子シミュレーション：相互作用するボソン模型と格子ゲージ理論のモデリング。
- 量子センシング：ガウス圧縮の限界を超えた測定感度の向上。
- 量子コンピューティング：より堅牢でスケーラブルな量子コンピュータのための普遍的ゲートセットの実装。
完全な研究「ハイブリッド振動子-スピン系におけるスクイージング、トライスクイージング、クアッドスクイージング」は、ネイチャー・フィジックス誌で閲覧可能である。大学の公式発表も確認できる。
2026年5月2日
