中国・太原にある山西大学の物理学者たちは、量子物質波を用いた非断熱的非可換編み操作の初めての実験的観測に成功した。7月3日にNature Communicationsに掲載されたこの成果は、編み操作のための高速パラダイムを切り拓き、トポロジカル量子計算や量子力学の基礎的検証に影響を与える可能性がある。
編み操作とは、ロープのストランドを織り交ぜるようなものと考えてほしい。量子の世界では、「編み操作」とは時空の中で量子粒子を互いの周りに移動させるプロセスを指す。これらの移動を行う順序が重要であり、これは技術的には非可換、すなわち非アーベル的編み操作と呼ばれる性質である。AにBを掛けると一つの結果が得られ、BにAを掛けると異なる結果が得られる。
音響系やフォトニック系におけるこれまでの非可換編み操作の実験的実証は、断熱過程に依存していた。つまり、操作をゆっくりと行い、系をその瞬間的な基底状態に維持する必要があった。この速度制限により、高速量子操作には実用的ではなかった。山西大学のチームは、非可換編み操作が非断熱的に、すなわち迅速に、編み操作を魅力的にするトポロジカル保護を犠牲にすることなく実行できることを示した。
実験
研究チームは、実験プラットフォームとして超低温のボース・アインシュタイン凝縮体（BEC）を使用した。これは原子を絶対零度近くまで冷却し、それらが集合的に同一の量子状態を占めるようにしたものである。物理的な粒子を空間で編み操作する代わりに、BECの運動量状態に編み操作の「ストランド」を符号化した。異なる運動量成分間のレーザー駆動結合によって編み操作が実現された。
編み操作が真に非可換であることを検証するため、チームは同一の初期運動量状態に異なる系列のホロノミック操作を適用し、明確に異なる最終結果を観測した。これが非可換代数の特徴である。もし組紐群が可換であれば、操作の順序は重要ではなく、系列に関わらず最終状態は同じになるはずだが、そうはならなかった。
操作は非断熱的非可換ホロノミー（状態空間の閉じた経路に沿って蓄積される幾何学的位相）を介して生成され、ゆっくりとした断熱的進化を必要としない。このアプローチは古典波系と量子波系の両方に適用可能であり、著者らは広く応用できると述べている。
重要性
非可換編み操作は、トポロジカル量子計算への道として長年追求されてきた。そこでは量子情報が粒子の編み操作履歴に保存され、局所的なノイズから本質的に保護される。問題は常に速度であった。断熱的編み操作は本質的に遅く、その実用的有用性が制限されていた。
山西大学チームの実証は、速度制限が本質的なものではないことを示唆している。「我々は、非可換編み操作が非断熱的に実行可能であり、古典波系と量子波系の両方に適用可能な高速パラダイムを開くことを示した」と著者らは記している。編み操作は量子運動量重ね合わせ状態の準備、転送、分配に使用され、量子制御における有用性を直接実証した。
著者らは、Jin Xie氏とBo-Wen Guan氏（同等貢献）、Jiang Zhang氏、Chenhao Wang氏、Lantuan Xiao氏、Suotang Jia氏、および責任著者のYanting Zhao氏とFeng Mei氏であり、全員が山西大学の量子光学技術・デバイス国家重点研究室に所属し、競合する利益はないと報告している。
注意点
これはBECプラットフォームにおける原理実証実験であり、動作可能なトポロジカル量子コンピュータではない。編み操作は、トポロジカル量子計算でより一般的に想定される経路である凝縮系のエニオン準粒子ではなく、運動量空間で実証されている。非断熱的アプローチが固体エニオン系（実用的なトポロジカル量子ビットが存在すると考えられる系）に適用可能かどうかは、今後の課題である。
また、この論文はNature Communicationsの早期公開論文に標準的につけられる「未編集原稿」タグを付しているが、同誌の受領日（2025年12月）と受理日（2026年6月）によって確認されるように、査読は完了している。
開示：Nature Communicationsに2026年7月3日掲載された査読済み論文に基づく。DOI：10.1038/s41467-026-75085-7。CC BY-NC-ND 4.0ライセンスの下でオープンアクセス。
雅子 訳