光と原子つなぐ新量子ゲートを提案

～光1回の反射で完結、量子計算の誤り率を低減～

発表のポイント

 重要な量子ゲートの１つである「制御変位ゲート」を、光と原子に対して実現する新たな手法を理論的に提案しました。
 光を共振器に1回だけ反射させることで実現でき、複数回の反射が必要だった従来手法と比べて短時間に、かつ誤り率を低減した計算を実行できます。
光と原子、性質の異なる２つのシステムを繋げることで、ハイブリッド系を活用した新たな量子計算・量子通信の実現を加速することが期待されます。

早稲田大学先進理工学研究科の木倉清吾（きくらせいご）大学院生と理工学術院の青木隆朗（あおきたかお）教授（兼：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）、理化学研究所量子コンピュータ研究センターの後藤隼人（ごとうはやと）チームディレクター、シンガポール国立大学の花村文哉（はなむらふみや）博士研究員からなる研究グループは、原子と光、全く異なる性質を持つ２つの量子系に量子もつれ^※1を生じさせる量子ゲート^※2を効率的に実装する新たな手法を提案しました。
従来手法では、原子を閉じ込めた共振器^※3に光パルスを複数回反射させ、かつ光の干渉操作を組み合わせることで1つの量子ゲートを合成していました。しかし、この場合光の損失や量子誤りの蓄積の問題がありました。本提案手法では、光パルスを1回だけ共振器に反射させると同時に原子をレーザーで制御することで、２つの量子系を繋げる制御変位ゲート^※4を直接実装する手法を新たに提案しました。本手法により、ハイブリッド系を駆使する高性能な量子情報処理技術のさらなる発展を加速することが期待されます。
本成果は、2026年5月12日（火）に『Physical Review Letters』に公開されました。

これまでの研究で分かっていたこと

近年目覚ましい進展を遂げる量子情報処理では、人工的に作られたチップだけでなく、光や原子といった自然界に存在する量子系が情報の担い手として活躍します。
例えば、光は光通信に代表されるように高速・長距離伝送が可能であり、また「GKP符号」^※5と呼ばれる量子誤り訂正に有利な符号を扱える特徴を持ちます。一方で、光だけでは量子性が強い操作（非線形操作）が難しいという課題があり、その他の量子系についてもそれぞれ固有の長所短所を持ち合わせています。そこで、単一の量子系では克服が難しい短所を補いつつ長所を最大限活用するために、性質の異なる２つの量子系を繋げたハイブリッド系を活用することが盛んに研究されています。例えば、チップ内に2つの人工量子系を統合することで、単一の量子系ではそれまで困難だったGKP符号の作成・制御が実現されています。このようなハイブリッド系の能力を駆使するために、異なる量子系に量子もつれを生じさせる「制御変位ゲート」は欠かせない量子ゲートの１つです。
しかし、「静止する原子」と「高速に移動する光パルス」に対して、この量子ゲートを効率的に実装する方法はこれまで確立されていませんでした。従来は、制御変位ゲートを直接実行する手法が確立していなかったため、異なるゲート操作を組み合わせることで制御変位ゲートを合成していました。この場合には、原子を閉じ込めた共振器（共振器量子電気力学^※6系と呼ばれる）に光パルスを複数回反射させる必要があり、反射のたびに光のエネルギーが損失するため、ゲートの精度が低下するという課題がありました。

新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

本研究では、光パルスと原子の間の制御変位ゲートを、光を1回だけ反射させる「シングルショット方式」で実現する手法を提案しました。原子を共振器内に捕捉し、光パルスが共振器に入射するのと同時に、原子をレーザーで精密に制御します。これにより、原子の量子ビットの状態に応じて、反射してきた光パルスの量子状態が変化します。すなわち、複数回の反射を必要とせず1回の反射操作で、制御変位ゲートの実装が完結します。
さらに、共振器内部の光損失や原子の自然放出など、現実の実験で避けられない損失を取り込んだ解析モデルを導出しました。このモデルにより、提案手法の評価・最適化を簡潔に行えることを示しました。数値シミュレーションにより、導出されたモデルの有効性を確認し、またそのモデルを用いてパラメータの最適化を行うことで、提案手法が従来手法に比べてゲートエラー（理想の操作とのズレ）を大幅に改善できることを確認しました（図1）。