量子通信向け単一量子音波と原子スピン量子ビット相互作用を初実証(Good Vibrations for Quantum Communications)

2026-05-06 ハーバード大学

Harvard Universityの研究チームは、振動(フォノン)を利用して量子情報を伝達する新しい量子通信技術を開発した。従来の量子通信は主に光子を用いて情報を送受信していたが、研究ではナノスケール材料内の機械振動を量子状態のキャリアとして活用し、量子情報を高効率に制御・転送できる可能性を示した。研究者らは、特殊設計した量子デバイスを用いて、振動モードと量子ビット間の高精度結合を実現し、量子状態の保持や変換を安定して行えることを確認した。この技術は、量子コンピュータ間の接続や量子ネットワーク構築において、従来より低損失かつ高集積化しやすい通信手段となる可能性がある。また、光と機械振動を組み合わせたハイブリッド量子システムへの応用も期待される。研究チームは、量子インターネット実現に向けた重要な基盤技術になると位置付けており、次世代量子通信インフラ開発への貢献が期待されている。

量子通信向け単一量子音波と原子スピン量子ビット相互作用を初実証(Good Vibrations for Quantum Communications)
A photo of a 5 mm x 5 mm diamond chip on a room-temperature measurement setup, with arrays of mechanical resonators visible.

<関連情報>

単一カラーセンターによるパーセル効果増強スピン・フォノン結合 Purcell-enhanced spin–phonon coupling with a single colour centre

Graham Joe,Michael Haas,Kazuhiro Kuruma,Chang Jin,Dongyeon Daniel Kang,Sophie W. Ding,Cleaven Chia,Hana Warner,Benjamin Pingault,Bartholomeus Machielse,Srujan Meesala & Marko Lončar
Nature  Published:06 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-026-10495-7

Abstract

The radiative properties of emitters are inherently linked to their surrounding environment1. Placing an electromagnetic resonator around emitters can enhance spontaneous emission, as shown by Purcell in the 1940s2. This approach is now routinely used in quantum computing and communication to channel photons emitted by atoms into well-defined modes and control atom–photon interactions3,4,5,6,7,8,9. For solid-state emitters, such as colour centres, the host lattice introduces an acoustic environment, allowing excited atoms to relax by emitting phonons10,11. Here we observe the acoustic Purcell effect by constructing a specially engineered, microwave-frequency nanomechanical resonator around a colour-centre spin qubit in diamond. Using a co-localized optical mode of the structure that strongly couples to the excited state of the colour centre, we perform single-photon-level laser spectroscopy at millikelvin temperatures and observe a 10-fold faster spin relaxation when the spin qubit is tuned into resonance with a 12 GHz acoustic mode. Moreover, we use the colour centre as an atomic-scale probe to measure the broadband phonon spectrum of the nanostructure up to 28 GHz. Our work establishes a new regime of control for quantum defects in solids and paves the way for interconnects between atomic-scale quantum memories12 and qubits encoded in acoustic and superconducting devices13.

0404情報通信
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