量子実験に「反抗的」分子を参加させる:NIST物理学者が新手法を開発(NIST Physicists Bring Unruly Molecules to the Quantum Party)

2025-12-18 米国国立標準技術研究所(NIST)

米国標準技術研究所(NIST)の物理学者らは、従来は制御が難しいとされた複雑な分子を量子制御技術で精密に操る新たな方法を開発した。この研究は量子情報科学や高精度分光法の発展に重要な一歩となる。従来の量子実験では、簡単な原子やイオンを対象に高精度制御が行われてきたが、大きな分子では熱揺らぎや内部自由度の増加により制御が困難だった。今回の成果では、冷却技術や電磁場制御を駆使し、振動・回転モードを持つ複雑分子を量子的に整列・トラップすることに成功した。これにより、従来は達成困難だった高解像度の分子分光や量子シミュレーション、あるいは分子量子ビットへの応用が視野に入る。また、分子内部状態の精密操作は化学反応ダイナミクスの理解や、新材料・分子デバイス設計へのインパクトも期待される。研究者たちは、この成果が量子テクノロジーの対象領域を原子から分子へと拡張する基礎を築いたと述べている。

<関連情報>

極低温環境における極性分子イオンの高忠実度量子状態制御 High-Fidelity Quantum State Control of a Polar Molecular Ion in a Cryogenic Environment

Dalton Chaffee, Baruch Margulis, April Sheffield, Julian Schmidt, April Reisenfeld, David R. Leibrandt, Dietrich Leibfried, and Chin-Wen Chou
Physical Review Letters  Published 9 December, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/7ypf-91jr

Abstract

We use a quantum-logic spectroscopy (QLS) protocol to control the quantum state of a CaH+ ion in a cryogenic environment in which reduced thermal radiation extends rotational state lifetimes by an order of magnitude over those at room temperature. By repeatedly and adaptively probing the molecule, detecting the outcome of each probe via an atomic ion, and using a Bayesian update scheme to quantify confidence in the molecular state, we demonstrate state preparation and measurement (SPAM) in a single quantum state with infidelity less than 6 ×10−3 and measure Rabi flopping between two states with greater than 99% contrast. The protocol does not require molecule-specific lasers and can be generalized, paving the way for high-fidelity quantum control of many other molecular ions.

 

1700応用理学一般
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