カリフォルニア工科大学のマニュエル・エンドレス教授率いる研究チームが、原子の運動と内部エネルギー状態を同時に制御することで、中性原子のハイパーエンタングルメントを実証しました。これは原子のような質量を持つ粒子では初めての成果です。研究チームは光ピンセットを使ってアルカリ土類原子を冷却・捕捉し、能動的なエラー補正冷却を適用して原子の運動をほぼ停止させました。このプロセスにより、チームは原子を運動の重ね合わせ状態に励起し、量子情報を空間振動に符号化する基礎を築きました。
その後、原子は運動と電子の自由度の両方でエンタングルされ、2つの量子特性が同時に相関する形のハイパーエンタングルメントを達成しました。この画期的な成果により、原子あたりに符号化できる情報量が増加し、量子技術における実行可能で制御可能なリソースとして運動が導入されました。この技術は、既存の内部電子状態の操作能力に基づいて、中性原子に対する新しいレベルの制御を実現しています。
「光ピンセットにおける運動の消去冷却、制御、およびハイパーエンタングルメント」と題されたこの研究は、サイエンス誌に掲載され、陸軍研究局、NSF、DOE、DARPAを含む複数の米国機関から支援を受けました。エンドレス氏によると、この原子レベルの制御ツールボックスは、新しい量子コンピューティングアーキテクチャ、シミュレーション、高精度測定を可能にする可能性があるとのことです。
背景
「ハイパーエンタングルメント」は、粒子が複数の独立した量子状態（ここでは原子の運動と内部エネルギー状態）で同時に量子もつれを起こしている状態を指します。通常、もつれは一つの特性だけで生じますが、これにより1つの原子あたりに符号化できる情報量が増加し、より高密度な量子情報の処理が可能になります。
「光ピンセット」は、レーザー光の放射圧を利用して微小な粒子を空間的に固定・移動させる技術です。ここではアルカリ土類原子を冷却・捕捉するために用いられ、原子の運動を制御する基盤となっています。
「能動的なエラー補正冷却」は、原子の熱的な揺らぎ（エラー）を検出し、それを補正しながら冷却を行う手法です。これにより原子の運動をほぼ停止させ、量子情報を空間振動に正確に符号化するための安定した環境を構築しています。
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2025年5月23日
