カリフォルニア工科大学の研究者たちは、それぞれが複数の量子ビットを含む2つのノードを持つ量子ネットワークを実証し、量子通信において重要な成果を上げました。研究チームは、イットリウムオルトバナデート（YVO4）結晶に埋め込まれたイッテルビウム原子を使用して、並列の量子情報伝送を可能にする新しい量子もつれ多重化プロトコルを開発しました。このアプローチにより、量子ビットの逐次的な準備と光子伝送のボトルネックを克服し、通信速度を大幅に向上させました。
このシステムは、イッテルビウム原子の特殊な光学特性を活用しており、これらの原子は自身の量子状態と量子もつれした光子を放出します。研究者たちは、特定の原子を標的とするレーザーを微調整し、量子フィードフォワード制御プロトコルを適用することで、光学周波数の違いがあるにもかかわらず、原子対の間で量子もつれ状態の生成に成功しました。ネットワークの各ノードには約20個の量子ビットが含まれており、ノードあたり数百個まで拡張できる可能性があります。
この研究は、セキュアな通信や分散量子コンピューティングへの応用が可能な、高性能ネットワークを実現するためのスケーラブルな量子通信システムの基礎を築くものです。空軍科学研究局と全米科学財団（NSF）の支援を受けたこの研究は、ネイチャー誌に掲載されました。
背景
量子もつれとは、2つ以上の量子ビットが密接に関連し、一方の状態を測定すると瞬時に他方の状態が決定される現象です。通常、1対1の関係で説明されますが、今回の研究では「多重もつれ」として、複数の量子ビット間で複雑な連動関係を実現しました。これにより、単一の通信路でより多くの情報を同時に扱えるようになります。
量子ビットは、従来の0か1の2値をとるビットとは異なり、0と1の両方の状態を同時に持つことができる量子力学の最小単位です。記事では、イッテルビウム原子の量子状態を量子ビットとして利用しています。複数の量子ビットを1つのノードに集約することで、一度に処理できる情報の量が増加します。
光子伝送のボトルネックとは、量子情報を光（光子）に乗せて送る際、準備や送信の速度が全体の処理能力を制限してしまう課題を指します。従来の方法では、量子ビットを一つずつ準備して送る必要があり、効率が低いものでした。本研究では、並列の量子情報伝送を可能にするプロトコルを開発し、このボトルネックを克服することで通信速度の大幅な向上を実現しました。
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2025年2月27日
