「未来」の観測が明らかにする光の量子ダイナミクス -量子技術の高性能化へ向けた重要な成果-

2026-10-30 理化学研究所,東京大学

理化学研究所と東京大学などの国際共同研究グループは、過去と未来の観測記録を組み合わせて、光の量子状態の時間変化を高精度に推定する「量子状態スムージング」を初めて実験で実証した。光共振器と2台の検出器を用い、一方の観測者が得る過去・未来の測定記録から量子状態を推定し、別の観測者の記録を基準として精度を検証した。その結果、従来のように過去の記録だけを使うフィルタリングと比べ、推定結果が実際の量子状態に近づくことを確認した。量子状態の純度は最大10.3%、スクイージングは最大7.6%、基準状態との差が縮小した。量子状態をより正確に把握できるようになることで、測定誘起型量子コンピュータや量子センサーなどの性能向上、量子情報処理における測定データの事後解析への応用が期待される。

「未来」の観測が明らかにする光の量子ダイナミクス -量子技術の高性能化へ向けた重要な成果-
本研究での推定対象である光共振器

<関連情報>

光量子ダイナミクスの追跡と純度およびスクイージングの回復のための量子状態平滑化 Quantum state smoothing for tracking optical quantum dynamics and recovering purity and squeezing

Shota Yokoyama, Kiarn T. Laverick, David McManus, Qi Yu, Areeya Chantasri, Warit Asavanant, Daoyi Dong, Howard M. Wiseman & Hidehiro Yonezawa
npj Quantum Information  Published:21 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41534-026-01390-0  Early provide

Abstract

Tracking the dynamics of a quantum system is conventionally achieved by monitoring the system continuously in time and filtering the information contained in measurement records via the causal quantum trajectory approach. However, in practical scenarios, there is often loss of information to the environment, leading to filtered states that are impure because of decoherence. If real-time tracking is not required, the lost information can be maximally extracted via acausal quantum state smoothing, which has been theoretically proven to better restore the system’s coherence (purity) than causal filtering. Interestingly, quantum state smoothing requires assumptions about how any lost quantum information (unobserved by the experimenter) was turned into classical information by the environment. In this work, we experimentally demonstrate smoothing scenarios, using an optical parametric oscillator and introducing ‘observed’ and ‘unobserved’ channels by splitting the output beam into two independent homodyne detectors. We achieve improvement in state purification of 10.3% ± 1.6%, squeezing restoration of 7.6% ± 2.6%, and show that smoothed states are better estimates of hidden true states than those from conventional filtering. The estimation techniques used in this paper are promising for many applications in quantum information that incorporate post-processing.

1701物理及び化学
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