ペンシルベニア大学の量子研究者らは、室温環境下で動作する固体量子レジスタ上で、単一ゲートによる並列化された多粒子もつれを実証した。Nature Nanotechnologyに掲載された研究で、チームはダイヤモンド中の窒素空孔(NV)センターの中心電子スピンと、周囲の3つの13C核スピンメモリ量子ビットをもつれさせる4量子ビットのGreenberger–Horne–Zeilinger(GHZ)状態を、単一の動的デカップリング(DD)制御シーケンスを用いて14.8マイクロ秒で生成した。
従来の固体中心スピンレジスタは、逐次的なペア単位の2量子ビットゲートに依存して、中心電子と個々の核メモリ量子ビットをもつれさせる。この逐次アプローチは、大きなゲートレイテンシを招き、非標的核スピンに不要な位相クロストークを導入する。UPennのフレームワークは、この本質的なクロストークを利用し、XY8動的デカップリングシーケンスの単位パルスタイミング(t)と繰り返し数(N)を調整して、複数の弱結合核量子ビットにわたって条件付き回転を同時に実行する。結果として得られる14.8μsのゲート時間は、逐次ゲートプロトコルと比較して10倍の高速化を表し、垂直超微細結合周波数(A⊥ ≈ 60 kHz)によって決まる物理的相互作用限界に近い動作を示す。
| [ 室温固体もつれゲート比較 ] | ||
|---|---|---|
| もつれ指標/パラメータ | 逐次ペアワイズゲートプロトコル | 単一ゲート並列DDプロトコル |
| • 4量子ビットゲート時間 | • ~145 μs（長いパルスシーケンス） | • 14.8 μs（~10倍の実行高速化） |
| • 4量子ビットゲート忠実度 | • 0.69(3) | • 0.92(4) |
| • 3量子ビットゲート忠実度 | • 0.77(3) | • 0.88(3) |
| • クロストーク軽減 | • スピン全体に位相誤差が蓄積 | • クロストークを並列条件付きゲートに変換 |
多粒子もつれ状態は、Multiple Quantum Coherence (MQC)位相増幅測定を用いて実験的に検証され、真の4量子ビットもつれが確認された。500のランダムにサンプリングされた弱結合中心スピンレジスタの統計シミュレーションにより、並列もつれシーケンスが自然界に存在する固体構成の大部分に存在することが確認された。この制御方法論は、ダイヤモンド中の他のカラーセンター（SiVやST1など）や、炭化ケイ素(SiC)やシリコン中の欠陥レジスタにも一般化可能であり、量子誤り訂正(QEC)プロトコル、量子メモリノード、室温量子センシングのためのスケーラブルなテンプレートを提供する。
Nature Nanotechnologyのオープンアクセス論文はこちらで閲覧でき、実験データセットはZenodoこちらで確認でき、オープンソースのシミュレーションコードはGitHubこちらで利用できる。
2026年9月19日
