量子物理学：繰り返し量子非破壊パリティ測定による光子跳躍の追跡
Nature 511, 7510 doi: 10.1038/nature13436
量子情報は脆弱であるため、実際の量子コンピューターでは量子エラー訂正が必要となる。量子エラー訂正では、情報は大きな量子状態空間に重複して蓄積され、1個のエラーが発生したことを明らかにするには、未知の量子状態に符号化された情報を乱すことなく1個以上のオブザーバブルを監視する必要がある。通常は多量子ビットパリティであるこのようなオブザーバブルは、符号化スキームに固有の特殊な対称性に対応しなければならない。また、これらのオブザーバブル、つまりエラーシンドロームの測定は、量子非破壊的な（状態をさらに乱すことなく射影する）方法で、エラーが発生するよりも速く行う必要がある。これまで、エネルギーが明確に定義された状態間の量子跳躍に関する量子非破壊測定は、捕獲イオン、電子、共振器量子電気力学、窒素空孔中心、そして超伝導量子ビットなどの系で行われている。しかし、今までのところ、エラーシンドロームを高速で繰り返し監視した例は存在しない。今回我々は、考えられるエラーシンドローム、すなわちマイクロ波共振器の光子数パリティの量子跳躍を、補助量子ビットへマッピングすることにより追跡した。補助量子ビットの役割は、量子状態の操作と測定を容易にすることだけである。この量は、調和振動子のシュレーディンガーの猫状態（光のさまざまなコヒーレント状態の量子的な重ね合せ）を用いる、最近提案されたハードウェア効率の高い保護された量子メモリーの方式で必要なエラーシンドロームである。我々はコヒーレント状態が偶数または奇数のパリティを持つ猫状態へ崩壊するのを観測することで、この測定の射影性を実証した。この測定は、よく定義されたパリティを持つ状態空間の、ある領域への射影となる。測定は共振器寿命に比べて高速であり、高いシングルショット忠実度を持ち、パリティを変化させずに1回の測定を行える確率は99.8％であった。すでに実現された猫状態に対する量子情報の決定論的符号化と組み合わせると、我々が実証した量子非破壊パリティ追跡は、量子ビットの寿命を伸ばすアクティブなシステムの実現に向けた重要な一歩となる。
