遠隔の固体量子ビットレジスタ間で無条件にテレポートされた量子ゲート

距離を越えて量子計算機をつなぐ

今日の実験的な量子計算機は小規模で脆弱だが、多くの将来構想はそれらを結合して一種の量子インターネットを作ることに依存している。本研究は、別々のクライオスタットに置かれ、光ファイバーと古典的配線でしかつながっていない二つの小型ダイヤモンドベースのプロセッサが、あたかも一台の機械であるかのように重要な結合操作を実行できることを示す。この能力は長距離の安全な通信、強力な分散計算、そして量子物理学の基礎の検証に向けた構成要素となる。

新しいタイプの遠隔制御

通常の計算では、機械間で情報を送るのは簡単であり、ビットはコピーされ移動する。量子デバイスは異なり、量子ビット（キュービット）を読み出すことは通常その繊細な状態を壊してしまう。キュービットを行き来させる代わりに、理論家たちは量子ゲートの作用自体を一つのノードから別のノードへ「テレポート」することを提案した。基本の手順は、まず遠隔の二つのキュービット間にもつれを生成し、次に局所操作と共有された測定結果を使ってゲートを非局所的に作用させることである。鍵となる挑戦は、失敗した試行を破棄することなく決定論的にこれを行うことであり、そうして初めてその操作はより大きな量子回路で信頼できる構成要素として振る舞う。

協調して動くダイヤモンドチップ

研究チームは窒素空孔（NV）中心として知られるダイヤモンドの欠陥を用いる。そこには電子スピンが存在し、近傍の炭素13核スピンと相互作用する。二つの別々のセットアップ、通称アリスとボブでは、電子スピンが通信キュービットとして機能し、ひとつの炭素核が長寿命のデータキュービットとして使われる。微波で電子スピンを操作し、無線周波数で核スピンを操作し、精密に調整されたレーザーパルスで初期化、読み出し、そして光子を経由したもつれ生成を行う。ダイヤモンドチップにかける電圧で放出光子の色（波長）を調整し、両ノードが区別不能な光を出すようにすることが、信頼できる遠隔もつれの要件となる。

ネットワーク化中に壊れやすい状態を維持する

二つのノードが中央のビームスプリッターで単一光子を干渉させることで繰り返しもつれ生成を試みる間、核スピンは静かに量子情報を保持しているはずだ。しかし実際には、核スピンの位相はアクティブな電子スピンと弱く結合しているためにゆっくりとずれる。これに対処するため、チームはノードごとの制御戦略を開発した。一方のノードでは無線周波数パルスで直接核スピンを駆動し、電子にダイナミカル・デカップリングを挟む。一方のノードでは、マイクロ波パルス列の形状を工夫して電子の動きが核に正確な補正位相を刻印するようにする。もつれ試行の回数を追跡し、リアルタイムで位相を調整することで、データキュービットのコヒーレンスを何百回の試行にわたって維持し、非局所操作を完了するのに十分な時間を確保する。

ネットワーク化された量子状態の構築と検証

これらの手法を用いて、チームはまず両ノードにまたがる四量子ビットのグリーンバーガー–ホーン–ツァイルリング（GHZ）状態を組み立てた。この強く相関した状態は二つの電子スピンと二つの核スピンを一つの共有された量子資源に結びつける。重要なのは、彼らがあらゆる測定結果を受け入れ、その場で補正を適用し、成功した試行だけを選り抜くことをしなかった点である。測定された状態は詳細なシミュレーションと一致し、ノード間の真の四党もつれを検証するのに十分な忠実度に達した。この実験はローカル制御、遠隔もつれ生成、回路途中の測定、リアルタイムのフィードフォワードといった全層をストレステストした。

機械をまたぐ量子ゲート

最後に、著者らは主目的である遠隔核データキュービット間の制御NOT（CNOT）ゲートを実証した。テレポーテーションに基づく回路を用いて、共有された電子スピンのもつれと局所操作を有効なゲートへ変換し、アリスの核が特定の状態にあるときだけボブの核スピンが反転するようにした。確定的な入力状態を準備して出力を検査することで古典的な真理値表を検証し、単一回のテレポートゲート適用によって遠隔のデータキュービット間にもつれを生成することで真に量子的な振る舞いも確認した。観測された忠実度は、不完全なパルス、光子の区別可能性の制限、回路途中の読み出しのときどきの誤りに基づく誤差モデルとよく一致した。

量子の未来にとっての意義

専門外の読者にとっての要点は、空間的に分離され光によって結ばれた二つの小さな量子プロセッサが、今や完全に無条件な方法で共有論理操作を実行できるようになったことだ。もつれを共有して成功例だけを慎重に選ぶのではなく、システムはすべての測定結果を受け入れ、その場で補正を行う。これはスケールアップのために不可欠である。誤差率の改善は依然として必要だが、ここで示された技術はより大きな分散量子コンピュータ、より複雑なネットワークプロトコル、そして最終的には多くの小規模デバイスが協調して一体化する実用的な量子インターネットへとつながる道を示している。

引用: Iuliano, M., Demetriou, N., van Ommen, H.B. et al. Unconditionally teleported quantum gates between remote solid-state qubit registers. Nat Commun 17, 4694 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72818-6

キーワード: 量子ネットワーク, テレポートされた量子ゲート, 窒素空孔センター, 分散型量子計算, 遠隔もつれ