By Dr Chris Mansell, Senior Scientific Writer at Terra Quantum
ここ1か月で見た、量子コンピューティングと量子通信に関する興味深い研究論文の概要の紹介を以下に。
Hardware
Title: On-demand electrical control of spin qubits（スピン量子ビットのオンデマンド電気的制御）
Organizations: The University of New South Wales; Diraq; Keio University; Leibniz-Institut für Kristallzüchtung; VITCON Projectconsult GmbH; Simon Fraser University
シリコン量子ビットの強みは、半導体産業が過去数十年にわたって開発してきた CMOS技術を利用できることだ。このスケーラビリティの可能性を活かすために、本論文の著者らは、シリコンスピンを制御する単純で高速、高忠実、全電気的な方法を考案した。彼らは Rabi周波数を 650倍高速化したため、3ナノ秒の単一量子ビットゲート持続時間を達成。電気的相互作用のオン・オフを切り替えることができれば、より少ないノイズでスピンを扱うことができるようになると考えられる。
Title: Entangling microwaves with optical light（マイクロ波と光のエンタングル）
Organizations: Institute of Science and Technology Austria; Vienna Center for Quantum Science and Technology
単一光子を、光領域とマイクロ波領域の間でコヒーレントにすることで、超伝導量子プロセッサを光ファイバーでネットワーク接続することが可能になる。光の異なる周波数間の変換が、今日のインターネットで重要であるように、量子変換器は将来の量子インターネットの重要な構成要素となるだろう。この目的のために著者らは、光パルス、超低雑音、超伝導、空洞電気光学変調器の開発をおこなった。彼らはミリケルビン環境で伝搬する光学光子と、マイクロ波光子の間の決定論的量子もつれを実験的に実証し、分離可能性基準を5標準偏差以上破った。
Title: Manipulation and Certification of High-Dimensional Entanglement through a Scattering Medium（散乱媒体を介した高次元エンタングルメントの操作と認証）
Organizations: Sorbonne Université; University of Glasgow
高次元のもつれ状態は、量子通信プロトコルや高性能顕微鏡を安全にするための機能強化をもたらす可能性がある。残念なことに、量子状態は無秩序で不均一な媒質を進むときに壊れやすい。大気中では乱流があり、マルチモードファイバではランダムモード混合がある。この研究では、古典的な光ビームを使用して散乱媒質の詳細を推測し、次に空間光変調器を使用して空間的にもつれた光子のペアを作成します。彼らが経験するであろう摂動を補正することで、研究者たちは媒体の出力でのもつれを復元することに成功した。位置と運動量の基底にある光子を測定することで17次元のもつれを証明し、アインシュタイン=ポドルスキー=ローゼンの基準に998標準偏差違反する結果を得ている。より厚い材料によって引き起こされる擾乱を実験的に補償することは非常に困難であると予想されるが、実証されたアプローチは、現実世界でもつれた状態をより堅牢にするための良い出発点である。
Title: Provably-secure quantum randomness expansion with uncharacterised homodyne detection（無特性ホモダイン検出による証明可能安全な量子ランダム性拡張）
Organizations: National University of Singapore; JPMorgan Chase & Co
乱数生成器は、現代の多くのコンピューティングプラットフォームの重要なコンポーネントである。量子系の測定は確率論的なプロセスであるため、量子乱数生成器 (QRNG) の開発は非常に有望であると考えられている。目的は、完全に均一で予測不可能なビット列を生成することである。多くの場合、QRNG機器のモデルが安全性分析で必要になるが、これは生成されるランダム性の量の過大評価につながり、セキュリティアプリケーションにとっては致命的である。研究者が少ないモデル化仮定で安全性を保証できる場合、QRNGは準装置独立と表現される。論文では、平衡ホモダイン検出に基づく簡単なシステムを構築した。理論的には、著者らは必ずしも独立同分布の出力を生成しないブラックボックスとして扱った。彼らは有限サイズ効果を考慮し、無特性ホモダイン検出器がサイドチャネル攻撃に対する安全性を提供することを証明した。
Title: Approaching optimal entangling collective measurements on quantum computing platforms（量子コンピュータプラットフォームにおける最適なエンタングル集団計測へのアプローチ）
Organizations: Australian National University; Friedrich-Schiller University of Jena; University of Cambridge; Institute for Experimental Physics, Innsbruck; Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF; Max Planck School of Photonics; Macquarie University; Amazon Web Services; Institute for Quantum Optics and Quantum Information, Innsbruck; Alpine Quantum Technologies; Nanyang Technological University; Agency for Science Technology and Research (A*STAR)
量子状態は通常、繊細で壊れやすいと考えられている。しかし、周囲との相互作用に敏感であることは、量子状態が環境場の優れたプローブとして利用できることを意味する。2つの量子状態に小さなブロッホ球の回転を与え、それらをまとめて測定することで、同じ資源で古典的に達成できるよりも高い精度で回転角度を推定することができる。著者らは、いくつかの量子コンピューティングプラットフォームでこの実現に成功した。実験は超伝導、イオントラップ、フォトニック量子ビットを用いて行われた。エラーの緩和を調査し、不確実性の関係について洞察に富んでる。この研究は、量子プロセッサに接続された量子センサーが、強化されたイメージングおよびセンシングプロトコルを実装する未来への道を切り開く。
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原記事（Quantum Computing Report）
https://quantumcomputingreport.com/
翻訳：Hideki Hayashi