汎用ゲートを用いた回路における測定誘起相転移のポストセレクション不要な実験的観測

量子情報が方針を変える瞬間を観る

現代の量子コンピュータは計算能力で飛躍的な進歩をもたらす可能性がありますが、測定や雑音に極めて敏感です。本稿は、量子情報が広がった後に観測を頻繁に行うことで突然崩れるという、奇妙な種類の「相変化」を探ります。著者らはこの遷移を理論的に説明するだけでなく、これまでの実験で障害となっていた大がかりなデータ選別（ポストセレクション）を必要とせず、今日のハードウェアでそれを明瞭に観測する方法を示しています。

量子世界における二つの競合する振る舞い

多くの量子ビットが一緒に進化すると、通常は高度に絡み合い（エンタングルメント）、個々の量子ビットに関する情報は装置全体に広がります。しかし進化の途中で量子ビットを繰り返し測定すると、測定が量子状態を収縮させエンタングルメントを消し去ろうとします。最近の理論はこの二つの傾向の綱引きを予測しています。測定率が低いと系は情報が非局所に広がる「エンタングリング相」に落ち着きますが、ある臨界点を超えると測定が支配的になり系の状態がほぼ完全に既知となる「ディスエンタングリング相」に転じます。この急激な振る舞いの変化を測定誘起相転移と呼びます。

なぜポストセレクションが障害だったのか

実験室でこの遷移を検出するのは極めて困難でした。最も直接的な指標はエンタングルメントエントロピーや純度のような非線形量で、これらは単純な測定結果の平均ではなく全量子状態に依存します。それらの性質を推定するには、一般に回路途中の測定結果が特定のビット列に一致する実行だけを選ぶ「ポストセレクション」が必要になります。測定結果はランダムなので、必要な実行回数は系のサイズに対して指数的に増大します。実験はこの高コストを受け入れるか、非常に小さな系に留まるか、古典的にシミュレートしやすい特別なゲート集合に限定されることで対応してきました。

木構造回路という巧妙な近道

著者らは量子回路の配置を変えることでこのボトルネックを回避します。量子ビットを直線や格子状に配置する代わりに、木構造を用います：単一の「ルート」量子ビット（最初にプローブと絡ませた）を起点に、新しい量子ビットを繰り返し追加して枝分かれさせるパターンでエンタングルさせます。各エンタングル操作の後で、量子ビットに対して穏やかな「弱い」測定を行います。これらの測定強度は非常に弱い（ほとんど状態を乱さない）から事実上射影的な（強く完全に収縮させる）まで連続的に調整できます。重要なのは、木の再帰的構造により、記録したすべての測定結果を古典的アルゴリズムで処理するコストが量子ビット数に対して線形にしか増加せず、指数的にならない点です。

森の中の一つの量子ビットを追う

全多体系の状態を再構築する代わりに、著者らは最初に系とエンタングルしていた一つの特別な量子ビットについて残る不確定性がどれほどかを追跡します。木構造の視点では、これは回路内の全弱測定の記録からルート量子ビットの初期状態をどれだけ予測できるかという問題として表現できます。木が非常に深くなっても予測が不完全なら系はエンタングリング相にあります。一方、ある測定強度を超えるとルートの状態がほぼ再構成可能になれば、系はディスエンタングリング（「浄化」）相に入ったことになります。研究チームはこの予測可能性を単純な数値量として定義し、それが臨界測定強度で標準的な秩序変数のように振る舞い、非ゼロから事実上ゼロへ変化することを示しています。

理論から実動作する量子機器へ

研究者らはこの木回路プロトコルをQuantinuumのH1-1トラップドイオン量子コンピュータ上で実装し、最大で四層の木を用いました。動力学を人工的に簡略化しないために、一般的でランダムに選んだ単一量子ビットゲートを用い、機械のネイティブ相互作用で実現される弱測定を使いました。適度な数のランダム回路と繰り返しショットで、異なる木の深さと測定強度に対する秩序変数を推定しました。彼らのデータは詳細な理論予測と大規模な古典シミュレーションに良く一致しており、誤り緩和を行うことなく、現在の雑音のある装置で遷移が明瞭に分離できることを実証しています。

将来の量子技術にとっての意義

非専門家にとっての主なメッセージは、監視された量子系で情報が振る舞うには二つの明確に異なる領域があるということです：情報が広がってアクセスしにくい領域と、継続的な測定によって鮮明で局所的になる領域です。本研究は、木状回路アーキテクチャと適切な復号戦略を用いれば、過度なデータ選別や限定的なゲート集合を必要とせずに、その二領域の境界である測定誘起相転移を実験的に観測できることを示しています。これにより、測定、雑音、情報の流れが明日の量子技術の性能と設計にどのように影響するかを理解するための木ベースのモデルが強力な試験台になることが期待されます。

引用: Feng, X., Côté, J., Kourtis, S. et al. Postselection-free experimental observation of the measurement-induced phase transition in circuits with universal gates. Commun Phys 9, 110 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-025-02443-0

キーワード: 測定誘起相転移, 量子回路, エンタングルメント, トラップドイオン量子コンピュータ, 量子誤り訂正