京大ら,刻々と変化する量子状態を精度よく推定

京都大学と大阪大学の研究グループは,時間的に変化する量子状態を推定できる「連続適応量子状態推定」を提案,シミュレーションおよび実験で,物理学の限界の精度で推定できることを実証した(ニュースリリース)。

「量子」は古典力学的な「粒」とは異なり,異なる状態の「重ね合わせ」状態をとる。それらの量子を1回測定すると,それら異なる状態の何れかとして検出されるため,1回の測定では,どのような「重ね合わせ状態」にあるかを知ることはできない。そのため,できるだけ少ない個数のサンプルにより,正確にその量子状態を推定することは非常に重要だが,従来手法では最適な推定は実現できていなかった。

以前,研究グループは,この問題に対して,量子1つ1つの計測結果に応じて毎回「測定方法」を最適化する適応的な推定方法(適応量子状態推定)を,光子を用いた実験で実証したが,対象は時間的に変化しない特殊な量子状態に限られており,通常推定の対象となる,時々刻々と変化する量子状態には用いることができなかった。

研究ではまず,従来の適応量子状態推定を拡張し,時間的に変化する量子状態を計測可能なアルゴリズムを考案した。適応量子状態推定では,過去の光子の測定結果を全て記録しその全ての情報から次の光子の最適な測定手法を決定する。しかしこれでは,古い記録にひきずられてしまい,時間的に変化する量子状態を正しく推定することができない。

そこで今回,より直近に測定された光子の情報のみを用いるようにアルゴリズムを改良することで,この問題の解決を試みた。提案手法の有効性を確認するために,シミュレーションと実験を行なった。直線偏光をもった入力光子の偏光角度を時間的に変化させ,その偏光角度を推定した。

従来の適応量子状態推定では,変化に追従することができず,徐々に推定した偏光角度と真の偏光角度の間の違いが大きくなっていくのに対し,連続適応量子状態推定では,変化に追従できることが確認できた。さらに,推定に用いた光子の数に対する理論的な測定精度限界に到達することを実証した。

この研究成果を活用することで,より少ない個数のサンプルで,正確に量子状態を推定することができるため,微弱な信号や,高速な現象を捉えることが可能になるという。

そのため,量子コンピューター内の量子ビットの時間的な変化や,量子暗号の通信路が量子ビットに与える影響の時間的な変化を高速/高精度に追跡することが期待される。さらに,生体分子等から発せられる限られた光子から,その状態を読み解くことができるようになることも期待されるとしている。

その他関連ニュース

  • 広島大,量子測定で得た物理量の取得方法を発見 2021年02月15日
  • 原研ら,重元素化合物中の電子集団の振舞いを計算 2021年02月09日
  • 京大ら,ダイヤモンド量子センサーの感度を拡大 2021年01月14日
  • 東工大ら,高周波信号の量子化分配器を実現 2021年01月08日
  • 東大ら,量子多体状態の普遍的性質を解明 2020年11月10日
  • 京大ら,光子の量子もつれ状態を効率化的に検証 2020年10月30日
  • NIIら,時間結晶に量子ネットワーク構造を発見 2020年10月20日
  • 広島大ら,量子ランダムウォークのメカニズム解明 2020年10月19日