量子コンピューティングにおける最も困難な問題の一つは、有用な演算を実行するのに十分な長さにわたって量子ビットのコヒーレンスを維持することです。環境ノイズ、磁気変動、温度変化、迷走電場は、常に量子ビットをデコヒーレンスへと押しやります。標準的なアプローチは、低周波ノイズを打ち消すパルスシーケンスを使用することですが、これらのシーケンスは量子ビットを結合するために使用されるハードウェアとしばしば互換性がありません。
エリザ・コーネル、ベンジャミン・ピンゴー、マルコ・ロンチャーが率いるハーバード大学のチームは、逆のアプローチをとる解決策を実証しました。環境と戦うのではなく、機械的な環境を受け入れるというものです。
Nature Physicsに掲載されたこの研究では、ダイヤモンド中の単一のシリコン空孔（SiV）センター（スピン量子ビットの一種）を使用し、それに機械的ひずみを加えることで、低周波ノイズに本質的に鈍感な「ドレスト」量子状態を生成します。その結果、全機械的コヒーレンス保護と、800 MHzのラビ周波数での超高速制御が組み合わされています。
なぜフォノンなのか
ほとんどの量子ネットワークアーキテクチャは、光子を使用して静止量子ビット間で量子情報を運びます。光子は高速で伝搬性に優れていますが、大きなデバイスフットプリントを必要とし、クロストークを引き起こし、チップスケールでの閉じ込めが困難であるという制限があります。
フォノン（量子化された機械的振動）は代替手段を提供します。より小さなデバイスフットプリント、低減されたクロストーク、低温での長いキャビティ寿命、そして固体スピンと電磁波の両方との自然な結合を実現します。フォノニック量子ネットワークは、静止スピン量子ビットに情報を格納・処理し、フォノンを使用して同一チップ上の量子ビット間で情報を運びます。
これまで、スピンを共振フォノニックキャビティに結合し、同時に動的デカップリングパルスシーケンスを使用してノイズを抑制することは、技術的に互換性がありませんでした。
全機械的保護
チームの中心的な革新は、すべての量子演算（光初期化、ゲート演算、読み出し）を、SiVセンターに印加された機械的ひずみによって作成されたドレスト基底で実行することです。ひずみは、追加のパルスシーケンスを必要とせずに、低周波環境ノイズから自然に保護されたドレスト状態を生成します。
この機械的ドレッシングは、遠方の量子ビットを結合するために最終的に必要となるフォノニックキャビティと完全に互換性があります。量子ビットを保護するフォノンと、それを別の量子ビットにリンクするフォノンは、同じ物理メカニズムです。
800 MHzのラビ周波数はスピン量子ビットとしては異常に速く、サブナノ秒のタイムスケールでの量子ゲートを可能にします。これは量子誤り訂正にとって重要であり、デコヒーレンス時間に対するゲート速度が誤り訂正の実現可能性を決定します。
量子ネットワークへの影響
この結果は、フォノニック量子ネットワークの基本構成要素を確立します。次のステップは、同一チップ上の別々のSiVセンター間でフォノンを介した2量子ビットゲートを実証することです。これは、電磁場ではなく機械的振動を中心に構築されたオンチップ量子プロセッサへの扉を開くマイルストーンとなります。
この研究は、国立科学財団（NSF）、空軍科学研究局（AFOSR）、パッカード財団、アマゾン・ウェブ・サービスなどによって支援されました。デバイス製造はハーバード大学のCenter for Nanoscale Systemsで行われました。
制限と注意点
実証は極低温温度（希釈冷凍機範囲）で行われました。これは固体スピン量子ビットでは標準的ですが、実用的な展開を制限します。機械的ドレッシング技術はデバイス製造の複雑さを増し、ダイヤモンドにおける精密なひずみ工学を必要とします。現在の結果は単一量子ビット制御を示していますが、2つの機械的にドレストされたスピン間のエンタングル操作はまだ実証されていません。
雅子 訳
ソース
1. Cornell, E., Xu, Z., Wang, Z., Warner, H. K., Mann, E., Haas, M., Maity, S., Joe, G., Jiang, L., Rabl, P., Pingault, B., & Lončar, M. (2026). All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit. Nature Physics. https://doi.org/10.1038/s41567-026-03369-2