量子のもつれを“螺旋（らせん）”で読む

～ 個別制御に頼らない量子状態解析法を開発～

発表概要

日本大学文理学部物理学科の山本大輔准教授、同自然科学研究所のGiacomo Marmorini研究員、および早稲田大学理工学術院の福原武教授（理化学研究所量子コンピュータ研究センターチームディレクター）からなる研究グループは、多数の量子ビットからなる量子多体系の状態を、個々の量子ビットを一つ一つ制御することなく解析できる新しい量子状態トモグラフィ手法を開発しました。従来の量子状態解析では、系が大きくなるほど測定や制御が複雑化するという課題がありました。
研究グループは、磁性体に現れるスピンの螺旋構造に着想を得て、「螺旋測定」と呼ばれる新しい測定方式を提案しました（図1）。この方法では、量子ビット全体に一様な操作を施すだけで螺旋状に変化する測定軸が得られ、個別の量子ビット制御を必要としません。さらに、「圧縮センシング」技術と組み合わせることで、少ない測定回数でも高精度な量子状態の推定が可能であることを示しました。
本手法により、量子情報処理の核心である量子のもつれを、大規模な量子系に対して現実的な条件下で評価できる道が開かれました。光格子中の冷却原子系など、個々の粒子を独立に操作することが技術的に難しい量子シミュレータにおいて特に有効であり、量子技術を「より大きく、より複雑な系」へと拡張するための基盤技術として、今後の大規模量子シミュレーションや量子物性研究への応用が期待されます。本成果は2026年3月18日にアメリカ物理学会の発行する国際学術誌“PRX Quantum”に掲載されました。