量子のもつれを“螺旋(らせん)”で読む ~個別制御に頼らない量子状態解析法を開発~

2026-03-23 日本大学,早稲田大学,理化学研究所.科学技術振興機構

本研究は、日本大学・早稲田大学などの研究グループが、多数の量子ビットからなる量子多体系において、個別制御なしで量子状態を解析する新手法「螺旋量子状態トモグラフィー」を開発したもの。磁性体のスピン螺旋構造に着想し、全体に一様操作を加えることで測定軸を螺旋状に変化させることで、従来必要だった個別操作を不要とした。さらに圧縮センシングと組み合わせ、少数の測定から高精度な状態推定を実現。これにより大規模系でも量子もつれの評価が現実的となり、冷却原子系など操作が難しい量子シミュレータへの応用が期待される。成果はPRX Quantumに掲載。

量子のもつれを“螺旋(らせん)”で読む ~個別制御に頼らない量子状態解析法を開発~
図1.螺旋測定による量子もつれ評価のイメージ図

<関連情報>

螺旋量子状態トモグラフィーによる量子多体シミュレータにおける局所アドレス指定なしのエンタングルメント測定 Measuring Entanglement Without Local Addressing in Quantum Many-Body Simulators via Spiral Quantum State Tomography

Giacomo Marmorini, Takeshi Fukuhara, and Daisuke Yamamoto
PRX Quantum  Published: 18 March, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/1xzz-njyy

Abstract

Quantum state tomography serves as a key tool for identifying quantum states generated in quantum computers and simulators, typically involving local operations on individual particles or qubits to enable independent measurements. However, this approach requires an exponentially larger number of measurement setups as quantum platforms grow in size, highlighting the necessity of more scalable methods to efficiently perform quantum state estimation. Here, we present a tomography scheme that scales far more efficiently and, remarkably, eliminates the need for local addressing of single constituents before measurements. Inspired by the “spin-spiral” structure in magnetic materials, our scheme combines a series of measurement setups, each with different spiraling patterns, with compressed-sensing techniques. The results of the numerical simulations demonstrate a high degree of tomographic efficiency and accuracy. Additionally, we show how this method is suitable for the measurement of specific entanglement properties of interesting quantum many-body states, such as entanglement entropy, under various realistic experimental conditions. This method offers a positive outlook across a wide range of quantum platforms, including those in which precise individual operations are challenging, such as optical lattice systems.

1701物理及び化学
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