医科歯科大ら，反超放射で量子ビットを長寿命化

東京医科歯科大学，理化学研究所，東京大学の研究グループは，制御線に非線形フィルターを強く結合させることにより，量子ビットの短寿命化を阻止できることを発見した（ニュースリリース）。

通常の超伝導量子コンピューターでは，制御の対象となる量子ビット（データ量子ビット，DQ）に制御線を結合させ，そこからゲートパルスを照射する。この方式では，DQから制御線への自然放出が常に起こり，DQが保持する量子情報が徐々に劣化してしまう欠点がある。

研究グループは，制御線上に非線形フィルター（ジョセフソン量子フィルター，JQF）を結合させた状況での，DQへのゲート操作を解析した。JQFはDQと同じ共鳴周波数を持つ量子ビットであり，DQとJQFの間隔は，共鳴波長の半分程度（数mm）になるように設定する。

ゲートパルスが照射されていない間は，JQFは制御線への強い結合のために，最もエネルギーの低い状態である基底状態｜0＞へと素早く緩和する。すると，DQが励起状態｜1＞にあったとしても制御線への自然放出を起こさなくなる。

その理由はDQおよびJQFからの仮想的な自然放出光の破壊的干渉であり，反超放射（subradiance）と呼ばれる量子力学的な効果となる。一方でDQが基底状態｜0＞にある場合には，DQはそもそも自然放出を起こさない。つまり，JQFの効果により，DQはどのような状態にあっても制御線へと緩和しなくなり，DQの保持する量子情報が守られる。

すると逆に，制御線から照射するゲートパルスがJQFに遮断され，DQへのゲート操作ができなくなることが懸念される。ところが，DQへのゲートパルスを照射すると，JQFはこのパルスと強く相互作用して吸収飽和を起こし，すぐに基底状態｜0＞と励起状態｜1＞を半々の確率で占める状態（混合状態）になる。この状態ではJQFはマイクロ波を完全に透過させる。つまり，ゲートパルス照射中にはJQFは自動的に透明になり，DQに対する素早いゲート操作を可能にする。

このように，従来の制御方式ではDQの保持する量子情報は自然放出のため常に劣化していたが，JQFを用いることによりゲートパルス非照射中のDQの劣化を完全に抑えることができる。

この量子ビットの長寿命化方式は，既存の量子コンピューターでは全く考慮されていなかったものだという。そして超伝導量子コンピューターなど，固体系量子ビットを用いる量子コンピューターに応用可能だとしている。