Last Updated on 2025-05-07 17:15 by admin

南カリフォルニア大学（USC）の研究チームは、量子センサーの性能を著しく制限してきた「デコヒーレンス」と呼ばれる現象を効果的に抑制する新たな量子センシング技術を開発した。この成果は学術誌「Nature Communications」に掲載された 。  

本研究で開発された「コヒーレンス安定化プロトコル」は、量子ビット（量子情報の基本単位）の特定の量子状態を能動的に安定化させることにより、環境ノイズによる量子情報の損失を防ぐ 。この手法は、超伝導量子ビットを用いた実験において、標準的な測定法であるラムゼー干渉法と比較して最大1.65倍の測定効率向上を達成した 。  

特筆すべきは、この新プロトコルが追加のフィードバック制御や複雑な測定リソースを必要としない点であり、既存の多様な量子コンピュータや量子センサー技術への即時応用が可能であると研究チームは述べている 。これにより、医療用画像診断、基礎物理学研究、精密計測など、極微細な信号検出が求められる広範な分野での技術革新が期待される 。  

from:https://phys.org/news/2025-04-quantum-barrier-protocol-counteracts-limitation.html

【編集部解説】

量子センシングとは
量子センシングは、原子や光の粒子といった、目に見えないミクロな世界の量子現象を利用して、従来のセンサーでは捉えきれなかった極めて微弱な信号や変化を検出する技術です 。この技術の根幹には、量子が持つ「重ね合わせ」や「もつれ」といった、古典物理学の世界観では説明がつかない特異な振る舞いがあります。これらの性質を巧みに利用することで、これまでの計測技術の限界を打ち破る高精度な測定が可能になります。  

例えば、非常に騒がしいコンサート会場の中で、隣の人の小さなつぶやきを聞き取ろうとする状況を想像してみてください。従来のセンサーでは、周囲の大きな音（ノイズ）にかき消されてしまい、そのつぶやき（微弱な信号）を捉えることは困難です。しかし、量子センサーは、まるで特殊なフィルターを通してそのつぶやきだけをクリアに聞き分けるかのように、ノイズに埋もれた微細な情報を検出する能力を持っています 。この驚異的な感度こそが、量子センシングが「究極のセンサー」と期待される所以です。  

この技術が拓く未来は広大です。医療分野では、脳の活動をより詳細にマッピングすることで、てんかんの診断やアルツハイマー病の早期発見に貢献するかもしれません。また、超高精度な原子時計は、現在のGPSシステムを遥かに凌駕する測位技術や、金融取引の同期精度向上に繋がります。さらに、重力波のような宇宙からの微弱な信号を捉えたり、地球内部の微細な変動を検知したりすることで、基礎科学の未解決問題に迫る手がかりを与えてくれる可能性も秘めています 。このように、量子センシングは、私たちの知覚能力を拡張し、これまで見えなかった世界を可視化することで、科学技術の新たな地平を切り開く可能性を秘めているのです。  

デコヒーレンスを解決することはなぜ重要か
しかし、この有望な量子センシング技術の行く手には、「デコヒーレンス」という避けては通れない大きな障害が存在します 。量子状態は、その名の通り量子の世界特有の非常にデリケートな状態です。まるで水面に描いた精密な模様のように、周囲の環境からのほんのわずかな「揺らぎ」―例えば、熱の振動、迷い込んだ電磁波、あるいは観測装置自体からの微細な干渉―によって、その量子的な性質（重ね合わせやもつれなど）はいとも簡単に崩れ去ってしまいます 。  

この現象を、精密に回転しているコマに例えてみましょう。完璧にバランスの取れたコマは、滑らかに回転し続けます。しかし、ほんの少しの風が吹いたり、床がわずかに振動したりするだけで、コマの回転軸はブレ始め、やがては勢いを失って倒れてしまいます。デコヒーレンスもこれと似ており、量子ビットが保持していた貴重な量子情報が、環境ノイズという「外乱」によってかき消され、古典的な情報へと変質してしまうのです。一度このデコヒーレンスが起きてしまうと、量子センサーは測定対象からの信号を正確に読み取ることができなくなり、その性能は著しく低下します。

このデコヒーレンスこそが、長年にわたり量子コンピュータや量子センサーの開発において、その性能向上や実用化を阻んできた最大の「壁」の一つと言えるでしょう 。研究者たちは、この壁を乗り越えるために、量子ビットを極低温に冷却したり、外部からのノイズを徹底的に遮断したり、あるいは量子誤り訂正という複雑な手法を開発したりと、様々なアプローチで挑み続けてきました。  

USCの新技術
今回、南カリフォルニア大学のイーライ・レベンソンファルク准教授、マリーダ・ヘクト博士課程学生、ダニエル・リダー教授、クマール・サウラブ博士課程学生らの研究チームは、このデコヒーレンスという難攻不落の課題に対し、新たな視点から画期的な解決策を提示しました 。彼らが開発した「コヒーレンス安定化プロトコル」（学術論文では「決定論的量子ビット制御」とも呼ばれています）は、デコヒーレンスによって量子情報が失われるのを、いわば「力ずく」で抑え込むのではなく、量子ビットの状態を巧みに「操縦」することで、その影響を最小限に食い止めるという独創的なアプローチです 。  

このプロトコルの核心を理解するためには、「ブロッホ球」という量子ビットの状態を視覚的に表現する概念が役立ちます 。ブロッホ球は、地球儀のような球体を想像してください。この球の表面上の一点が、量子ビットが取りうる様々な状態（例えば、0と1の重ね合わせの度合いや位相）を表します。通常、デコヒーレンスが起こると、この球上の点は予測不可能な形でランダムに動き回り、最終的には特定の安定な状態（例えば、球の北極や南極）へと崩れてしまい、量子情報が失われてしまいます 。  

USCチームの新プロトコルでは、量子ビットに対して特殊な連続的駆動（例えば、精密に制御されたマイクロ波パルス）を印加します 。この駆動は、ブロッホ球上のある特定方向の成分（論文ではx成分とされています）を強制的に安定化させる働きをします。先ほどのコマの例えで言えば、回転が不安定になりかけたコマの軸に対して、外から絶妙な力で支え続けることで、倒れるのを防ぐようなイメージです。このように量子ビットの状態がデコヒーレンスによって乱されるのを一時的に防ぐことで、量子ビットはより長い時間、その量子的な性質を保ち続けることができるのです。  

この「状態の安定化」がもたらす直接的な恩恵は、測定したい信号（これは量子ビットのエネルギー準位の微細な周波数変化として現れます）を蓄積するための時間を稼げることです 。信号を蓄積する時間が長ければ長いほど、より微弱な信号でもノイズに埋もれることなく検出できるようになり、結果としてセンサーの感度が向上するのです。  

従来技術の比較
これまで、量子ビットの周波数を精密に測定する標準的な手法として、「ラムゼー干渉法」が広く用いられてきました 。この方法は、1949年にノーマン・ラムゼー博士によって考案され、原子時計の精度を飛躍的に向上させたことでノーベル物理学賞の対象ともなった、量子計測の分野における金字塔的な技術です。ラムゼー干渉法では、量子ビットを特定の重ね合わせ状態に準備した後、一定時間自由に進化させ（この間に外部環境との相互作用によって位相が変化します）、最後に再び操作を加えてその位相変化を読み取ります。  

しかし、この優れたラムゼー干渉法も、やはりデコヒーレンスという壁からは逃れられませんでした 。量子ビットが自由に進化している間にデコヒーレンスが起こると、蓄積されるべき位相情報が失われ、測定精度が低下してしまうのです。  

今回USCの研究チームが開発した「コヒーレンス安定化プロトコル」は、このラムゼー干渉法が抱えるデコヒーレンスによる限界を正面から克服するものです。実験結果によれば、超伝導量子ビットを用いた測定において、1回の測定あたりの効率（感度）を、ラムゼー干渉法と比較して最大で1.65倍向上させることに成功しました。さらに理論的な解析では、特定の条件下で最大1.96倍の改善も可能であると示されています 。これは、同じ測定時間でより微弱な信号を捉えられること、あるいは同じ感度をより短時間で達成できることを意味し、量子センシングの応用範囲を大きく広げる可能性を秘めています。  

新プロトコルとラムゼー干渉法の主な違いを以下の表にまとめます。

特徴 (Feature)	新コヒーレンス安定化プロトコル (New Coherence-Stabilized Protocol)	標準ラムゼー干渉法 (Standard Ramsey Interferometry)
感度 (Sensitivity)	大幅に向上 (実験で最大1.65倍、理論上最大1.96倍)	標準
デコヒーレンス耐性 (Decoherence Robustness)	高い (デコヒーレンスを能動的に抑制し、信号蓄積時間を延長)	デコヒーレンスにより測定時間が制限
追加リソース (Additional Resources)	原則不要 (フィードバック制御や追加の複雑な測定装置は不要)	–
即時適用性 (Immediate Applicability)	高い (既存の多くの量子プラットフォームへ応用可能)	–
信号成長 (Signal Growth)	測定中に信号が増大 (ブロッホベクトルの特定成分を安定化させ、直交成分を成長させる)	自由歳差運動による位相蓄積
制御方法 (Control Method)	決定論的な連続駆動による量子ビット制御	初期化パルス、自由発展、読み出しパルス

この表が示すように、新プロトコルの最大の強みの一つは、感度向上を実現しつつも、追加の複雑な装置や制御を必要としない点です。これは、既存の量子センサーシステムへの導入を容易にし、実用化へのハードルを大きく下げる要因となります。

将来への展望
この「コヒーレンス安定化プロトコル」による量子センサーの感度向上は、基礎科学から産業応用に至るまで、実に多岐にわたる分野で大きな進展をもたらす可能性を秘めています 。  

まず医療分野では、より微弱な生体信号の検出が可能になることで、病気の超早期発見や診断精度の飛躍的な向上が期待されます。例えば、脳磁図（MEG）や心磁図（MCG）といった、脳や心臓が発する微弱な磁場を捉える技術において、これまでノイズに埋もれて検出が困難だった初期の異常パターンを捉えられるようになるかもしれません。これにより、てんかんの焦点のより正確な特定、アルツハイマー病やパーキンソン病といった神経変性疾患の初期兆候の検出、あるいは胎児の心機能評価など、新たな診断・治療法の開発へと繋がる道が開かれます。

基礎物理学の分野では、宇宙の根源的な謎に迫る研究が加速されるでしょう。例えば、未だ正体不明の暗黒物質（ダークマター）の探索実験では、極めて稀にしか起こらないとされる暗黒物質粒子と通常物質との相互作用を捉えるために、究極の感度を持つ検出器が求められています。今回の新技術は、そうした検出器の感度をさらに高め、暗黒物質の正体解明への重要な一歩となるかもしれません。また、重力波のより精密な観測や、ニュートリノ物理学、さらには量子力学の基本原理そのものを検証する実験などにおいても、その威力を発揮することが期待されます。

さらに、材料科学においては、新素材の内部構造や電子状態をナノスケールで分析する手段として、量子センサーが注目されています。より高感度なセンサーは、材料の欠陥や特性の不均一性をより詳細に評価することを可能にし、高性能な半導体デバイス、高効率な太陽電池、あるいは革新的な触媒などの開発を加速させるでしょう。環境モニタリングの分野でも、大気中や水中の超微量な汚染物質や有害物質をリアルタイムで検出する高感度センサーの開発に貢献し、より安全で持続可能な社会の実現に寄与することが考えられます。

これらの例はほんの一端に過ぎず、精密な磁場計測が求められる地中探査や非破壊検査、超高精度な時間基準が必要とされる次世代通信システムや金融取引、あるいは量子コンピュータ自体の性能向上など、その応用範囲は想像を超える広がりを見せるでしょう。この技術は、単に「より良く測れる」というだけでなく、「これまで測れなかったものが測れるようになる」という質的な変化をもたらし、それが新たな発見やイノベーションの連鎖を生み出す原動力となるのです。

今回のUSCの研究成果において、科学的な新規性や感度向上という側面に加えて、実用化という観点から特に注目すべきは、この新プロトコルが「フィードバック制御や追加の測定リソースを必要としない」という点です 。これは、量子技術を実験室から実社会へと展開する上で、非常に大きな意味を持ちます。  

従来の量子制御技術やエラー抑制技術の多くは、量子ビットの状態をリアルタイムで精密に監視し、デコヒーレンスなどによる望ましくない変化が生じた場合に、それを補正するための複雑なフィードバックループを必要とすることがありました。また、量子状態を安定化させるために、追加の強力なレーザー光を照射したり、極めて精密なタイミングで多数の制御パルスを印加したりする必要がある場合もありました。これらの手法は、原理的には有効であっても、システム全体を非常に複雑にし、消費電力の増大、装置の大型化、そして何よりもコストの高騰を招くため、実用的な量子デバイスへの搭載には大きな障壁となっていました。

それに対し、USCのチームが開発した「コヒーレンス安定化プロトコル」は、あらかじめ理論的に計算され最適化された、決定論的な連続駆動パルスを用います 。つまり、量子ビットの状態をリアルタイムで監視して逐次補正を行うのではなく、「こうすれば安定するはずだ」という設計に基づいて、計画的に量子ビットを操作するのです。これにより、複雑なフィードバック機構や追加の高度な測定・制御リソースが原理的に不要になります。  

この「シンプルさ」は、量子センサーシステムの設計を大幅に簡素化し、より小型で、より安価で、より堅牢（外部環境の変化に強い）なセンサーの開発に道を開きます。例えば、ポータブルな医療診断装置や、過酷な環境下で使用されるフィールドセンサーなど、これまで量子技術の導入が難しかった領域への応用も視野に入ってきます。実験室レベルでの高性能な成果を、広く社会で利用可能な技術へと昇華させるためには、このようなシステムの簡素化とコスト削減が不可欠であり、今回のUSCの成果は、その方向性における重要な一歩と言えるでしょう。この「使いやすさ」こそが、量子センシング技術の普及を加速し、多くの分野でその恩恵を享受するための鍵となるのです。

【用語解説】

• 量子センシング (Quantum Sensing): 量子の重ね合わせやもつれといった特有の性質を利用し、磁場、電場、温度、時間、加速度などの物理量を極めて高い精度で計測する技術。従来のセンサーの限界を超える精密測定を可能にし、医療、通信、ナビゲーション、基礎科学など多岐にわたる分野での応用が期待される 。  
• デコヒーレンス (Decoherence): 量子ビットが持つ重ね合わせ状態などの量子的な性質が、周囲の環境（ノイズ、熱、電磁場など）との相互作用によって失われる現象。量子コンピュータや量子センサーの性能を著しく低下させる主要因であり、量子技術実用化における最大の課題の一つ 。  
• 量子ビット (Qubit): 量子コンピュータにおける情報の基本単位。「0」と「1」の状態だけでなく、それらが同時に存在する「重ね合わせ状態」も取ることができる。これにより、従来のビットに比べて遥かに多くの情報を処理でき、特定の問題に対して指数関数的な計算速度向上が期待される 。  
• ブロッホ球 (Bloch Sphere): 単一の量子ビットが取りうる純粋状態を視覚的に表現するための幾何学的な球体モデル。球の表面上の一点が量子ビットの一つの状態に対応し、北極と南極がそれぞれ計算基底状態｜0⟩と｜1⟩に対応することが多い。量子ゲート操作は球上の回転として表現される 。  
• ラムゼー干渉法 (Ramsey Interferometry): 量子系のエネルギー準位間の遷移周波数を精密に測定するための分光学的技法。2つの分離した相互作用領域（または時間的に分離した2つのパルス）を用いて原子や量子ビットの位相進化を観測し、干渉縞から周波数を決定する。原子時計や量子センサーの基本原理 。  
• 超伝導量子ビット (Superconducting Qubit): 超伝導材料（極低温で電気抵抗がゼロになる物質）を用いて作製される人工的な量子ビット。ジョセフソン接合を含むLC回路などで構成され、マイクロ波パルスによって量子状態を制御・測定する。現在の量子コンピュータ開発における主要な方式の一つ 。  
• コヒーレンス安定化プロトコル (Coherence-Stabilized Protocol) / 決定論的量子ビット制御 (Deterministic Qubit Control): 本記事で紹介されたUSCの研究チームが開発した新技術。量子ビットに連続的な駆動を加え、ブロッホ球上の一成分を安定させることでデコヒーレンスを抑制し、信号の蓄積効率を高める。フィードバック制御なしで量子センサーの感度を向上させる 。  

【参考リンク】

• Nature Communications
  • 説明: 本研究成果が掲載された国際的な学術雑誌。多岐にわたる科学分野の質の高い研究論文をオープンアクセスで公開。
  • URL: https://www.nature.com/ncomms/ (論文DOI: 10.1038/s41467-025-58947-4 )  
• University of Southern California (USC)
  • 説明: 本研究を行った研究者が所属する米国の名門私立大学。多様な分野で先進的な研究活動を展開。
  • URL: https://www.usc.edu/