量子センシングにおける新しいノイズ制御技術(In Quantum Sensing, What Beats Beating Noise? Meeting Noise Halfway.)

2025-09-10 米国国立標準技術研究所(NIST)

アメリカ国立標準技術研究所(NIST)などの研究チームは、量子センサーの感度を向上させる新しい理論的アプローチを提案しました。量子センサーは超伝統な計測技術(例えば超微弱な磁場の検出など)で優れた性能を発揮しますが、環境ノイズ(温度変化や振動、雑磁場など)による影響が大きく、実際には理論値ほどの精度が発揮できないという課題があります。研究者らは、多数の量子ビット(qubit)を「エンタングル(量子もつれ)」させることで感度を向上させる一方で、すべてのエラーを完全に訂正するのではなく、ノイズに関して“ある程度”訂正を行う設計を採る方法を示しました。このように「誤り訂正(quantum error correction)」コードをうまく用いて、完全ではないがノイズ耐性を持たせたエンタングル群を準備することで、ノイズ下であっても非エンタングルのqubit群より優れた感度を保てることが理論的に示されています。感度の若干の低下はあるものの、実験実装可能な範囲でのノイズ耐性を確保することで、現実世界で有用な量子センサーの設計に道を開く成果です。論文は2025年9月に Physical Review Letters に発表されています。

量子センシングにおける新しいノイズ制御技術(In Quantum Sensing, What Beats Beating Noise? Meeting Noise Halfway.)
Credit: metamorworks/Shutterstock

<関連情報>

計量学的エンタングルメント優位性を有する共変量子誤り訂正符号 Covariant Quantum Error-Correcting Codes with Metrological Entanglement Advantage

Cheng-Ju Lin, Zi-Wen Liu, Victor V. Albert, and Alexey V. Gorshkov
Physical Review Letters  Published 10 September, 2025
DOI:DOI: https://doi.org/10.1103/dttc-ksdn

Abstract

We show that a subset of the basis for the irreducible representations of a tensor-product SU(2) rotation forms a covariant approximate quantum error-correcting code with transversal U(1) logical gates. Generalizing previous work on “thermodynamic codes” to general local spin and different irreducible representations using only properties of the angular momentum algebra, we obtain bounds on the code inaccuracy under generic noise on any known sites, under independent and identically distributed noise, and under heralded -local erasures. We demonstrate that this family of codes protects a probe state with quantum Fisher information surpassing the standard quantum limit when the sensing parameter couples to the generator of the U(1) logical gate.

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