量子物理学：局所スピン交換による輸送可能な2中性原子間でのエンタングルメントの形成
Nature 527, 7577 doi: 10.1038/nature16073
量子情報科学の進展に向けて、エンタングルメントを生成し維持するための厳しい必要条件に適合する物理系が探し求められている。原子物理学では、2量子ビットのロバストなエンタングルメントは、通常はイオン間のクーロン相互作用かリュードベリ原子間の双極子相互作用という形の、強い長距離相互作用によって実現される。こうした相互作用によって高速の量子ゲートが可能になるが、相互作用する原子は環境との結合や量子ビット間のクロストークを克服しなければならない。波動関数同士が大きく重なる必要がある相互作用などの局所相互作用では、こうした悪影響を軽減できる。しかし、そうした相互作用は新たな課題をもたらす。すなわち、エンタングルメントを分配するには、量子ビットを輸送し、相互作用のために結合させた後、蓄積とその後の操作のために分離する必要がある。今回我々は、可動な光ピンセットを使って、極低温中性原子を2つ準備して局所的にエンタングルさせ、そのエンタングルメントを保ちながら分離できる方法を示す。基底状態の中性原子を用いたこれまでの実験では、スピンエンタングルメントと一致するダイナミクスを測定し、巨視的なオブザーバブルを用いてエンタングルメントを検出していた。現在では、局所勾配とパリティの測定によって、位置分解の2粒子スピンコヒーレンスを実証できるようになっている。今回の新しいエンタングルメント検証プロトコルは、空間的に離れた原子間の任意のスピンエンタングル状態に適用できる可能性がある。この局所的なエンタングル操作は、スピン交換相互作用を通して実現され、量子トンネル効果を用いて原子を結合・分離している。こうした手法から、大規模量子レジスター内の局所操作によって、遠く離れた量子ビットを動的にエンタングルさせる枠組みが得られる。
