光と原子つなぐ新量子ゲートを提案 ~光1回の反射で完結、量子計算の誤り率を低減~

2026-05-15 早稲田大学

早稲田大学、理化学研究所、シンガポール国立大学の共同研究チームは、光と原子の間で量子もつれを生成する新しい「シングルショット制御変位ゲート」を理論提案した。従来は、原子を閉じ込めた共振器に光パルスを複数回反射させる必要があり、光損失や誤差蓄積が課題だった。本研究では、光パルスを共振器に1回だけ反射させると同時に原子をレーザー制御することで、光と原子間の制御変位ゲートを直接実装できることを示した。さらに、共振器内部損失や原子自然放出を含む解析モデルを構築し、数値シミュレーションにより従来法より大幅に低いゲートエラー率を達成可能であることを確認した。本成果は、光通信に適した光量子系と、高精度制御可能な原子系を結ぶハイブリッド量子情報処理技術を前進させるものであり、将来的な量子計算、量子ネットワーク、量子通信の高性能化に貢献すると期待されている。

光と原子つなぐ新量子ゲートを提案 ~光1回の反射で完結、量子計算の誤り率を低減~

<関連情報>

捕捉された原子と移動する光との間の単発条件付き変位ゲート Single-Shot Conditional Displacement Gate between a Trapped Atom and Traveling Light

Seigo Kikura, Hayato Goto, Fumiya Hanamura, and Takao Aoki
Physical Review Letters  Published: 12 May, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/234l-q12q

Abstract

We propose a single-shot conditional displacement gate between a trapped atom as the control qubit and a traveling light pulse as the target oscillator, mediated by an optical cavity. Classical driving of the atom synchronized with the light reflection off the cavity realizes the single-shot implementation of the crucial gate for the universal control of hybrid systems. We further derive a concise gate model incorporating cavity loss and atomic decay, facilitating the evaluation and optimization of the gate performance. This proposal establishes a key practical tool for coherently linking stationary atoms with itinerant light, a capability essential for realizing hybrid quantum information processing.

1601コンピュータ工学
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