2つの音響共振器が量子的な進展を共有
深圳国際量子研究院のDian Tan氏が率い、シュトゥットガルト大学などの研究機関と共同で進めた研究チームは、ハイブリッドチップ上で2、4、6個の音響モードが関わる量子エンタングルメントを生成した。また、2個および4個のモードが関わるエンタングル状態を、別々の2つの機械共振器間で転送し、振動が担う量子情報の準備と移動の両方を実証した。
目次
エンタングル状態の準備で最も高い忠実度は、2モードで0.912 ± 0.003だった。忠実度は、実験で得られた量子状態が意図した状態にどれほど近いかを示す指標で、1は完全な一致を表す。4モードでは0.790 ± 0.003、6モードでは0.570 ± 0.001だった。
Science誌に掲載された研究のタイトルは「巨視的音響共振器における真の多体エンタングルメントの決定論的生成と分配」で、出版日は2026年10月15日。深圳の研究機関は10月16日に成果を発表した。
この実験は、より大規模な音響量子システムに必要となる3つの課題、すなわち共有量子状態の生成、ハードウェア間での転送、そして測定を組み合わせている。最も複雑な状態には6つの音響モードが関わり、転送実験では2モードと4モードが扱われた。
振動が量子情報を運ぶ仕組み
チップでは、機械振動の量子単位であるフォノンを利用する。フォノンは、振動において光の光子に相当する役割を果たし、量子系における離散的なエネルギー量を表す。
機械デバイスには、高倍音バルク音響共振器（HBAR）が使われている。それぞれが複数の音響モード、つまり異なる周波数で振動する固有のパターンを支える。楽器が複数の音を出せるように、共振器も複数の振動パターンを支えるが、その量子状態を制御するにははるかに精密な装置が必要となる。
HBARは、複数のモードを備え、比較的長い貯蔵寿命を持ち、チップへの集積にも適しているため、研究者の関心を集めている。1つのデバイス内に複数のモードがあれば、量子情報を符号化する場所を複数確保でき、モードごとに別個の機械部品を用意する必要性を減らせる。
何が真のエンタングルメントを生むのか
Tan氏らは、真の多体エンタングルメントを生成した。簡単に言えば、量子的な結びつきが、参加するモード全体に及んでいるということだ。エンタングルメントをすべて含む独立した小集団に状態を分割することはできない。
例えば、6つのモードが独立した3組のエンタングルしたペアを形成する場合と、6つすべてにまたがって真のエンタングルメントが共有される場合とでは、状態の構造が異なる。後者は、プロセッサーやネットワークの複数部分にまたがる演算を支え得る、集団的な量子リソースとなる。
Tan氏は、この共有された結びつきについて、複数のノードを持つ量子ネットワークや分散型量子情報処理のためのリソースだと説明した。ノードとは、量子情報を保持または処理できる個々のユニットを指す。分散処理では、接続された複数のユニットにタスクを分担させる。
論文の著者らは、要旨で実験の成果を次のように述べている。
2つの多モード音響共振器間で、真の多モードエンタングルメントを生成し、転送したことを報告する。
このハードウェアは、集団的な状態の生成と、その状態を別個の機械デバイス間で移動させる能力の両方に取り組んでいる。これらは、音響量子コンポーネントをより大きなシステムにつなぐために、それぞれ必要となる要件だ。
超伝導量子ビットで複数のモードを制御
研究者らは、音響共振器を可変型超伝導量子ビットに結合した。量子ビットは、制御可能な量子情報の単位だ。この実験では、量子ビットによって機械系の量子状態を準備、操作、測定できる。
チームは、音響モードの周波数分布と、量子ビットとフォノンの相互作用を慎重に設計した。これにより、1つの超伝導量子ビットが複数の機械モードと強く相互作用できるようになり、研究者は共通の制御要素を通して複数の振動パターンにアクセスできた。
強結合とは、損失や望ましくない外乱が過程を妨げる前に、量子情報を制御しながらやり取りできるほど十分な相互作用があることを意味する。複数のモードを選択して制御することは、共振器の多様な振動パターンを有用な量子リソースに変えるうえで重要となる。
このアーキテクチャは、異なる種類の量子ハードウェアを組み合わせている。機械共振器が音響状態を保持し、超伝導量子ビットがそれを制御し、可変型量子カプラーが回路の各部分を接続する。これらの要素をチップ上に集積することが、チームが提案するモジュール式設計の基盤となる。
状態準備の数値が示すもの
Science誌の論文では、目標とするエンタングル状態を準備した際の忠実度を次のように報告している。
- 2モード：0.912 ± 0.003、忠実度91.2%。
- 4モード：0.790 ± 0.003、忠実度79.0%。
- 6モード：0.570 ± 0.001、忠実度57.0%。
数値の低下は、複雑さを高める代償を示している。参加するモードが2つから6つに増えると、測定された忠実度は34.2ポイント低下した。モード数が増えれば共有量子状態の規模は大きくなる一方、準備と制御への要求も高まる。
忠実度は、測定した状態と目標状態の類似度を表す。各数値の後に示された不確かさは、その測定で報告された不確かさだ。研究者らは、準備した3つの状態すべてが真のエンタングル状態であるとしている。
著者らはまた、この手法を決定論的だと説明している。これは、成功した偶発的な事象を選び出すのではなく、制御された手順によって状態を準備するよう設計されているという意味だ。決定論的な動作と忠実度は、性能の異なる側面を示す。制御された準備手順であっても、不完全な状態が生じることはある。
機械ノード間でエンタングルメントを転送
転送実験では、超伝導量子ビットと可変型カプラーを統合した2つの独立したHBAR共振器を、同じハイブリッドチップのアーキテクチャに組み込んだ。チームは共振器間で量子情報を交換し、ある機械ノードから別のノードへエンタングル状態を転送した。
2モードが関わる状態の転送忠実度は0.785 ± 0.006だった。4モードが関わる状態では0.601 ± 0.006だった。百分率で表すと、それぞれ78.5%と60.1%となる。
転送の成果により、実験は音響ハードウェア内でエンタングルメントを準備する段階を超えた。共有量子状態を別の共振器へ移動させる方法を実証しており、異なるノードで計算の別々の部分を保持または処理する際に必要な操作となる。
実証された転送は2モードと4モードを対象としており、6モードへの拡張は今後の課題だ。実証された接続は同一チップ上の共振器間のもので、さらに大きなネットワークは接続するハードウェアユニットを増やして構築することが提案されている。
2つの量子ビットでより大きな音響状態を測定
研究者らはまた、複数の音響モードにわたって超伝導量子ビットを再利用する量子状態トモグラフィーの手法を開発した。トモグラフィーとは、実験を繰り返し準備して得られる多数の測定から、量子状態を再構成する手法だ。
制御手順を実行するだけでは、実験の一部にすぎないため、この工程は重要だ。研究者には、生成した状態を明らかにする測定が必要であり、異なるモード間の相関も把握する必要がある。
チームは、わずか2つの超伝導量子ビットを用いて、多モードのエンタングルしたフォノン状態をトモグラフィーで調べた。測定リソースを異なるモード間で再利用することで、音響モードごとに専用の測定用量子ビットを割り当てずに済んだ。
Tan氏は、この成果について、当時の量子音響プラットフォームで報告された多モードフォノン状態の実験的特性評価として最大規模だと述べた。この主張が指すのは状態再構成の規模だ。実用上の貢献は、音響システムの成長に合わせ、限られた数の量子ビットをより有効に使える測定手法にある。
チップの配置が重要な理由
チームの2次元チップアーキテクチャは、こうした実験を拡大する際の物理的な制約に取り組むものだ。従来の設計では3次元マイクロ波空洞に依存しており、接続するコンポーネントを増やそうとすると、スペースやエンジニアリング上の課題が生じる。
Tan氏は、チップ方式にはモジュール性、集積性、拡張の余地があると述べた。提案する構成では、個々の超伝導量子ビットを別々の機械共振器に結合し、さらに制御可能なカプラーを介して量子ビット同士を接続する。
共振器を追加するたびに、複数の音響モードを加えられる可能性がある。そのため、この設計には2つの拡張方向がある。共振器ノードを増やすことと、各共振器が支えるモードをより多く利用することだ。
状態準備と転送の数値は、今後必要となる作業も示している。参加するモード数が増えるにつれて忠実度は低下し、実証された転送忠実度は対応する状態準備の値を下回った。より大規模なプロセッサーでは、モード数と接続数の両方を増やしながら、有用な状態を保つ必要がある。
今回の実験からより大きなネットワークへ
今回実現したのは、多モードエンタングルメント、機械ノード間の転送、状態再構成を組み合わせた実験室用プラットフォームだ。実証された段階と提案されている段階は次の通り。
- 2026年10月15日：Science誌の論文で、2、4、6モードが関わる真のエンタングル状態の準備と、2モードおよび4モードの転送を報告。
- 2026年10月16日：深圳の研究機関が共同研究の成果を発表し、制御と測定の手法を説明。
- 次に提案される段階：制御可能なカプラーで接続したHBAR共振器と超伝導量子ビットを増やし、利用できるエンタングルメントリソースを拡大。
チームは、より大規模なネットワークの実現時期を示していない。提案は実証済みのハードウェアを直接発展させるものだ。共振器をモジュールとして使い、その音響モードを量子リソースとし、超伝導回路でそれらを制御し接続する。
量子コンピューティング研究への貢献は具体的だ。この実験は、複数の振動モードが真の量子状態を共有できること、エンタングル状態を共振器間で移動できること、そして2つの量子ビットでより大きな音響状態を再構成できることを示した。この手法を拡張するには、忠実度の向上と接続ノードの増加が次の課題となる。
要点
- Dian Tan氏のチームと国際共同研究者らは、2、4、6個の音響モードが関わる真のエンタングルメントを準備した。
- 状態準備の忠実度は、それぞれ91.2%、79.0%、57.0%だった。
- 2モードおよび4モードが関わるエンタングル状態を別々の共振器間で転送し、忠実度は78.5%と60.1%だった。
- 2つの超伝導量子ビットを再利用し、トモグラフィーによって多モードのフォノン状態を再構成した。
- チームは、共振器、量子ビット、制御可能な接続を増やしてチップアーキテクチャを拡張することを提案している。
