論文まとめ291回目 Nature 暑熱曝露により摂食を抑制する脳幹-視床下部神経回路の発見！？など
科学・社会論文を雑多/大量に調査する為、定期的に、さっくり表面がわかる形で網羅的に配信します。今回もマニアックなNatureです。
さらっと眺めると、事業・研究のヒントにつながるかも。
世界の先端はこんな研究してるのかと認識するだけでも、
ついつい狭くなる視野を広げてくれます。
一口コメント
A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics
柔軟で統合された通気性エレクトロニクスのための3次元液体ダイオード
「快適に長時間装着でき、生体信号を継続的にモニタリングできる通気性の高いウェアラブルエレクトロニクスが求められています。しかし、現在の多孔質エレクトロニクスの研究は、電極や基板の開発段階にとどまっており、回路、電子機器、封止など、多様な電子部品を包括的に統合した実用的なアプリケーションにはほど遠い状況です。単一の統合されたウェアラブルエレクトロニクスシステムで通気性と多機能性を両立させることは、非常に難しい課題となっています。本研究では、3次元液体ダイオード（3D LD）の構成に基づいた、統合された水分浸透性ウェアラブルエレクトロニクスの一般的な戦略を提示しました。空間的に不均一な濡れ性を構築することで、3D LDは皮膚から outlet に向けて一方向に汗を自己ポンプし、その最大流量は11.6ml/cm2/minに達し、運動時の生理的発汗量の4000倍もの優れた肌親和性、装着感、安定した信号読み取り挙動を示します。交換可能な放湿/発汗基板を組み込んだ着脱式設計により、ソフト回路/電子機器の再利用が可能となり、持続可能性とコストパフォーマンスが向上します。この基盤技術を、高度な皮膚統合型エレクトロニクスとテキスタイル統合型エレクトロニクスの両方で実証し、スケーラブルでユーザーフレンドリーなウェアラブルデバイスへの可能性を示しました。」
Interchain-expanded extra-large-pore zeolites
鎖間拡張された超大細孔ゼオライト
「ゼオライトは、分子ふるいとして広く利用されている多孔性材料ですが、これまでは12面体以上の大きな細孔を持つ安定なアルミノシリケートゼオライトの合成は困難でした。本研究では、層状ゼオライト前駆体の層間拡張にヒントを得て、1次元シリケート鎖をシリル化剤で拡張し、鎖を分離・連結することで、熱的・水熱的に安定なシリケートを得ることに成功しました。その結果、20面体、16面体、16面体で囲まれた超大細孔を持つゼオライトが得られました。合成されたゼオライトは、焼成により真の3次元フレームワークを形成し、非常に低密度となります。また、これまでのゼオライトには見られなかった、4つの四員環ユニットを持つ特徴があります。本研究で報告されたシリケート拡張・縮合アプローチは、さらなる超大細孔ゼオライトの形成に適用できる可能性があります。」
Evidence for chiral graviton modes in fractional quantum Hall liquids
分数量子ホール液体中のキラルグラビトンモードの証拠
「分数量子ホール状態では、内部量子計量の揺らぎの量子として、キラルグラビトンモード（CGM）と呼ばれる新奇な集団励起が提案されています。CGMは、仮説上のスピン2のボソンであるグラビトンの凝縮系アナログであり、+2または-2のカイラリティを持つ偏極状態と、長波長極限での基本的な中性集団励起（マグネトロトン）に一致するエネルギーギャップによって特徴付けられます。本研究では、円偏光の非弾性散乱を用いてキラルスピン2の長波長マグネトロトンを観測し、分数量子ホール液体中のCGMの存在を強く示唆する証拠を得ました。filling factorが1/3の場合、角運動量S=-2に対応する特定の偏光スキームの下で、極めて長波長まで持続する長波長マグネトロトンとして同定されるギャップを有するモードが現れました。特筆すべきは、モードのカイラリティは2/5で-2のままですが、2/3と3/5では反対になることです。これらのモードは、特徴的なエネルギーと鋭いピークを持ち、温度とfilling factorに依存して変化することから、長波長マグネトロトンの割り当てを裏付けています。これらの観察結果は、CGMの本質を捉え、分数量子ホール状態の幾何学的記述を支持するもので、トポロジカル相関系における量子計量効果の豊かな物理を解明する道を開くものです。」
High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory
高しきい値・低オーバーヘッドの耐障害性量子メモリ
「量子コンピューターを実現するには、量子情報を守るための量子エラー訂正が不可欠です。今回開発された新しい方法は、従来の表面コードと同等の性能を持ちながら、必要な量子ビットの数を10分の1に減らすことができるのです。つまり、より少ない量子ビットでより多くの量子情報を守れるようになったのです。これにより、量子コンピューターの実現に大きく近づきました。量子コンピューターができれば、新薬開発や材料設計などに革命が起きると期待されています。」
Thermonuclear explosions on neutron stars reveal the speed of their jets中性子星の熱核爆発が、ジェットの速度を明らかにする
「宇宙には、ブラックホールや中性子星から噴き出す高速のジェットが存在します。これらのジェットがどのように生み出されるのか、その仕組みは長年の謎でした。今回、中性子星の表面で起こる大規模な熱核爆発に着目した観測により、中性子星から噴出するジェットの速度を初めて測定することに成功しました。驚くべきことに、その速度はブラックホールのジェットよりもずっと遅いことが判明したのです。この発見は、天体の性質がジェットの速度にどのような影響を与えるのか解明する上で、画期的な手がかりになると期待されています。私たちに馴染み深い花火とは比べ物にならないスケールの爆発から、宇宙の神秘に迫る発見があったのですね。」
A brainstem–hypothalamus neuronal circuit reduces feeding upon heat exposure
暑熱曝露により摂食を抑制する脳幹-視床下部神経回路
「宇宙には、ブラックホールや中性子星から噴き出す高速のジェットが存在します。これらのジェットがどのように生み出されるのか、その仕組みは長年の謎でした。今回、中性子星の表面で起こる大規模な熱核爆発に着目した観測により、中性子星から噴出するジェットの速度を初めて測定することに成功しました。驚くべきことに、その速度はブラックホールのジェットよりもずっと遅いことが判明したのです。この発見は、天体の性質がジェットの速度にどのような影響を与えるのか解明する上で、画期的な手がかりになると期待されています。私たちに馴染み深い花火とは比べ物にならないスケールの爆発から、宇宙の神秘に迫る発見があったのですね。」
要約
多孔質で高性能なウェアラブルエレクトロニクスを実現する3次元液体ダイオードを開発
本研究では、3次元液体ダイオード（3D LD）の構成に基づいた、統合された水分浸透性ウェアラブルエレクトロニクスの一般的な戦略を提示した。空間的に不均一な濡れ性を構築することで、3D LDは皮膚から outlet に向けて一方向に汗を自己ポンプし、運動時の生理的発汗量の4000倍もの優れた肌親和性、装着感、安定した信号読み取り挙動を示した。また、交換可能な放湿/発汗基板を組み込んだ着脱式設計により、ソフト回路/電子機器の再利用が可能となり、持続可能性とコストパフォーマンスが向上した。
事前情報
現在の多孔質エレクトロニクスの研究は、電極や基板の開発段階にとどまっており、回路、電子機器、封止など、多様な電子部品を包括的に統合した実用的なアプリケーションにはほど遠い状況である。単一の統合されたウェアラブルエレクトロニクスシステムで通気性と多機能性を両立させることは、非常に難しい課題となっている。
行ったこと
3次元液体ダイオード（3D LD）の構成に基づいた、統合された水分浸透性ウェアラブルエレクトロニクスの一般的な戦略を提示した。また、この基盤技術を、高度な皮膚統合型エレクトロニクスとテキスタイル統合型エレクトロニクスの両方で実証した。
検証方法
3D LDの汗の自己ポンプ能力を評価し、運動時の生理的発汗量と比較した。また、着脱式設計による、ソフト回路/電子機器の再利用可能性を検証した。
分かったこと
3D LDは、空間的に不均一な濡れ性を構築することで、皮膚から outlet に向けて一方向に汗を自己ポンプし、その最大流量は運動時の生理的発汗量の4000倍に達し、優れた肌親和性、装着感、安定した信号読み取り挙動を示すことがわかった。また、交換可能な放湿/発汗基板を組み込んだ着脱式設計により、ソフト回路/電子機器の再利用が可能となり、持続可能性とコストパフォーマンスが向上することがわかった。
この研究の面白く独創的なところ
3次元液体ダイオードという新しい概念を導入し、通気性と多機能性を両立させた統合型ウェアラブルエレクトロニクスを実現した点が独創的である。また、着脱式設計によりソフト回路/電子機器の再利用を可能にした点も面白い。
この研究のアプリケーション
この基盤技術は、高度な皮膚統合型エレクトロニクスとテキスタイル統合型エレクトロニクスの両方に応用可能であり、スケーラブルでユーザーフレンドリーなウェアラブルデバイスの開発に貢献すると期待される。
著者と所属
Binbin Zhang, Jiyu Li, Jingkun Zhou, Lung Chow, Guangyao Zhao, Ya Huang, Zhiqiang Ma, Qiang Zhang, Yawen Yang, Chun Ki Yiu, Jian Li, Fengjun Chun, Xingcan Huang, Yuyu Gao, Pengcheng Wu, Shengxin Jia, Hu Li, Dengfeng Li, Yiming Liu, Kuanming Yao, Rui Shi, Zhenlin Chen, Bee Luan Khoo, Weiqing Yang, Feng Wang, Zijian Zheng, Zuankai Wang & Xinge Yu
詳しい解説
本研究では、快適に長時間装着でき、生体信号を継続的にモニタリングできる通気性の高いウェアラブルエレクトロニクスの開発を目指しました。現在の多孔質エレクトロニクスの研究は、電極や基板の開発段階にとどまっており、回路、電子機器、封止など、多様な電子部品を包括的に統合した実用的なアプリケーションにはほど遠い状況です。単一の統合されたウェアラブルエレクトロニクスシステムで通気性と多機能性を両立させることは、非常に難しい課題となっています。
そこで、著者らは3次元液体ダイオード（3D LD）の構成に基づいた、統合された水分浸透性ウェアラブルエレクトロニクスの一般的な戦略を提示しました。3D LDは、空間的に不均一な濡れ性を構築することで、皮膚から outlet に向けて一方向に汗を自己ポンプすることができます。その最大流量は11.6ml/cm2/minに達し、運動時の生理的発汗量の4000倍もの優れた肌親和性、装着感、安定した信号読み取り挙動を示しました。
また、交換可能な放湿/発汗基板を組み込んだ着脱式設計により、ソフト回路/電子機器の再利用が可能となり、持続可能性とコストパフォーマンスが向上しました。この着脱式設計は、ウェアラブルエレクトロニクスの実用化に向けた重要な進歩であると言えます。
著者らは、この基盤技術を高度な皮膚統合型エレクトロニクスとテキスタイル統合型エレクトロニクスの両方で実証し、スケーラブルでユーザーフレンドリーなウェアラブルデバイスへの可能性を示しました。皮膚統合型エレクトロニクスは、皮膚に直接貼り付けて使用するタイプのウェアラブルデバイスであり、テキスタイル統合型エレクトロニクスは、衣服に組み込んで使用するタイプのウェアラブルデバイスです。どちらのタイプのデバイスにも、この技術が応用可能であることが示されました。
本研究で開発された3次元液体ダイオードに基づく統合型水分浸透性ウェアラブルエレクトロニクスは、快適性、機能性、持続可能性を兼ね備えた次世代のウェアラブルデバイスの開発に大きく貢献すると期待されます。今後は、この技術をさまざまな医療・ヘルスケア分野に応用することで、人々の健康と福祉の向上に寄与することが期待されます。
１次元シリケート鎖を拡張する新しい手法により、超大細孔ゼオライトを合成することに成功
本研究では、1次元シリケート鎖をシリル化剤で拡張し、鎖を分離・連結することで、熱的・水熱的に安定なシリケートを得ることに成功した。その結果、20面体、16面体、16面体で囲まれた超大細孔を持つゼオライトが得られた。合成されたゼオライトは、焼成により真の3次元フレームワークを形成し、非常に低密度となる。また、これまでのゼオライトには見られなかった、4つの四員環ユニットを持つ特徴がある。
事前情報
12面体以上の大きな細孔を持つ安定なアルミノシリケートゼオライトは、現在ゼオライト材料で処理可能な分子よりも大きな分子を処理するために使用できる可能性があるが、ごく最近まで合成が困難であった。
行ったこと
層状ゼオライト前駆体の層間拡張にヒントを得て、1次元シリケート鎖をシリル化剤で拡張し、鎖を分離・連結することで、熱的・水熱的に安定なシリケートを合成した。
検証方法
合成されたゼオライトの構造解析を行い、超大細孔の存在と熱的・水熱的安定性を確認した。また、Tiを導入したゼオライトを触媒として用いて、嵩高い分子を含む液相アルケン酸化反応における活性を評価した。
分かったこと
20面体、16面体、16面体で囲まれた超大細孔を持つゼオライトが得られた。合成されたゼオライトは、焼成により真の3次元フレームワークを形成し、非常に低密度となる。また、これまでのゼオライトには見られなかった、4つの四員環ユニットを持つ特徴がある。シリケート拡張・縮合アプローチは、さらなる超大細孔ゼオライトの形成に適用できる可能性がある。
この研究の面白く独創的なところ
1次元シリケート鎖の拡張という新しいアプローチを用いて、これまで合成が困難であった超大細孔ゼオライトの合成に成功した点が独創的である。また、得られたゼオライトが、これまでにない特殊な構造を持っている点も面白い。
この研究のアプリケーション
超大細孔ゼオライトは、現在ゼオライト材料で処理可能な分子よりも大きな分子を処理するために使用できる可能性がある。また、Tiを導入したゼオライトは、嵩高い分子を含む液相アルケン酸化反応において、工業的に関連するクリーンなプロピレンオキシドの製造に有望である。
著者と所属
Zihao Rei Gao, Huajian Yu, Fei-Jian Chen, Alvaro Mayoral, Zijian Niu, Ziwen Niu, Xintong Li, Hua Deng, Carlos Márquez-Álvarez, Hong He, Shutao Xu, Yida Zhou, Jun Xu, Hao Xu, Wei Fan, Salvador R. G. Balestra, Chao Ma, Jiazheng Hao, Jian Li, Peng Wu, Jihong Yu & Miguel A. Camblor
詳しい解説
本研究では、これまで合成が困難であった12面体以上の大きな細孔を持つ安定なアルミノシリケートゼオライトの合成に、新しいアプローチで挑戦しました。
層状ゼオライト前駆体の層間拡張にヒントを得て、著者らは1次元シリケート鎖をシリル化剤で拡張し、鎖を分離・連結することで、熱的・水熱的に安定なシリケートを得ることに成功しました。この手法により、20面体、16面体、16面体で囲まれた超大細孔を持つゼオライトが得られました。
合成されたゼオライトは、未焼成の状態ではSi-CH3基を含んでいますが、焼成により、これらのSi-CH3基が互いに結合し、真の3次元フレームワークを形成します。この3次元フレームワークは、非常に低密度であることが特徴です。また、得られたゼオライトには、これまでのゼオライトには見られなかった、4つの四員環ユニットが存在しています。
本研究で報告されたシリケート拡張・縮合アプローチは、さらなる超大細孔ゼオライトの形成に適用できる可能性があります。また、このゼオライトにTiを導入することで、嵩高い分子を含む液相アルケン酸化反応に活性な触媒が得られ、クミルヒドロペルオキシドを酸化剤として用いた工業的に関連するクリーンなプロピレンオキシドの製造に有望であることが示されました。
超大細孔ゼオライトは、現在ゼオライト材料で処理可能な分子よりも大きな分子を処理するために使用できる可能性があり、化学工業や環境浄化などの分野での応用が期待されます。本研究で開発された新しいゼオライト合成アプローチは、これまで困難とされてきた超大細孔ゼオライトの合成を可能にし、ゼオライト材料の応用範囲を大きく広げる可能性を秘めています。
分数量子ホール液体中のキラルグラビトンモードの存在を実験的に初めて確認
本研究では、円偏光の非弾性散乱を用いて、分数量子ホール液体中のキラルスピン2の長波長マグネトロトンを観測し、キラルグラビトンモード（CGM）の存在を強く示唆する証拠を得た。filling factorが1/3の場合、角運動量S=-2に対応する特定の偏光スキームの下で、極めて長波長まで持続する長波長マグネトロトンとして同定されるギャップを有するモードが現れた。モードのカイラリティは2/5で-2のままだが、2/3と3/5では反対になる。これらの観察結果は、CGMの本質を捉え、分数量子ホール状態の幾何学的記述を支持するものである。
事前情報
分数量子ホール状態では、内部量子計量の揺らぎの量子として、キラルグラビトンモード（CGM）と呼ばれる新奇な集団励起が提案されている。CGMは、仮説上のスピン2のボソンであるグラビトンの凝縮系アナログであり、+2または-2のカイラリティを持つ偏極状態と、長波長極限での基本的な中性集団励起（マグネトロトン）に一致するエネルギーギャップによって特徴付けられる。しかし、CGMは実験的にアクセス不可能なままであった。
行ったこと
円偏光の非弾性散乱を用いて、分数量子ホール液体中のキラルスピン2の長波長マグネトロトンを観測した。
検証方法
filling factorが1/3、2/5、2/3、3/5の分数量子ホール液体について、円偏光の非弾性散乱実験を行い、特定の偏光スキームの下で現れるモードの特性を調べた。
分かったこと
filling factorが1/3の場合、角運動量S=-2に対応する特定の偏光スキームの下で、極めて長波長まで持続する長波長マグネトロトンとして同定されるギャップを有するモードが現れた。モードのカイラリティは2/5で-2のままだが、2/3と3/5では反対になる。これらのモードは、特徴的なエネルギーと鋭いピークを持ち、温度とfilling factorに依存して変化することから、長波長マグネトロトンの割り当てを裏付けている。
この研究の面白く独創的なところ
分数量子ホール液体中のキラルグラビトンモードの存在を実験的に初めて確認した点が独創的である。また、モードのカイラリティがfilling factorに依存して変化する点も興味深い。
この研究のアプリケーション
この観察結果は、トポロジカル相関系における量子計量効果の豊かな物理を解明する道を開くものである。
著者と所属
Jiehui Liang, Ziyu Liu, Zihao Yang, Yuelei Huang, Ursula Wurstbauer, Cory R. Dean, Ken W. West, Loren N. Pfeiffer, Lingjie Du & Aron Pinczuk
詳しい解説
本研究は、分数量子ホール液体中のキラルグラビトンモード（CGM）の存在を実験的に初めて確認したものです。
分数量子ホール状態では、内部量子計量の揺らぎの量子として、CGMと呼ばれる新奇な集団励起が提案されています。CGMは、仮説上のスピン2のボソンであるグラビトンの凝縮系アナログであり、+2または-2のカイラリティを持つ偏極状態と、長波長極限での基本的な中性集団励起（マグネトロトン）に一致するエネルギーギャップによって特徴付けられます。しかし、これまでCGMは実験的にアクセス不可能なままでした。
著者らは、円偏光の非弾性散乱を用いて、分数量子ホール液体中のキラルスピン2の長波長マグネトロトンを観測しました。filling factorが1/3の場合、角運動量S=-2に対応する特定の偏光スキームの下で、極めて長波長まで持続する長波長マグネトロトンとして同定されるギャップを有するモードが現れました。特筆すべきは、モードのカイラリティは2/5で-2のままですが、2/3と3/5では反対になることです。これらのモードは、特徴的なエネルギーと鋭いピークを持ち、温度とfilling factorに依存して変化することから、長波長マグネトロトンの割り当てを裏付けています。
これらの観察結果は、CGMの本質を捉えたものであり、分数量子ホール状態の幾何学的記述を支持するものです。CGMの存在は、トポロジカル相関系における量子計量効果の豊かな物理を解明する上で重要な手がかりとなります。例えば、CGMは分数量子ホール状態の熱力学的性質や輸送特性に影響を与える可能性があります。また、CGMの制御や操作は、新たな量子デバイスの開発にもつながるかもしれません。
本研究は、分数量子ホール液体という特殊な系におけるCGMの観測に成功した点で画期的ですが、CGMの物理的性質や役割についてはまだ不明な点が多く残されています。今後は、より詳細な実験と理論的考察を通じて、CGMの理解を深めていくことが求められます。また、他のトポロジカル相関系におけるCGMの探索も興味深い研究課題となるでしょう。
量子コンピューターの実現に向けて大きな一歩となる画期的な量子エラー訂正法の開発
量子コンピューターの実現に向けて、量子エラー訂正は重要な課題である。本研究では、低密度パリティ検査（LDPC）コードと呼ばれる新しい量子エラー訂正法を開発した。この方法は、従来の表面コードと同等の高いエラーしきい値（0.7%）を持ちながら、必要な量子ビット数を10分の1に減らすことができる。288個の量子ビットを使って12個の論理量子ビットを100万回のサイクルにわたって保持できることを示した。これにより、近い将来の量子プロセッサーでの耐障害性量子メモリの実証が可能になると期待される。
事前情報
量子コンピューターは量子力学の原理を利用して計算を行う新しいタイプのコンピューターである。従来のコンピューターでは解くのが難しい一部の問題を高速に解けると期待されている。しかし、量子情報は環境ノイズの影響を受けやすく、エラーが蓄積してしまう問題がある。これを解決するのが量子エラー訂正である。量子エラー訂正では、k個の論理量子ビットをn個の物理量子ビットに符号化し、物理的なエラーを抑制する。エラーの発生率が一定のしきい値を下回ると、量子エラー訂正が機能し始める。20年間、表面コードが最もエラーしきい値が高い（約1%）符号とされてきた。
行ったこと
低密度パリティ検査（LDPC）コードと呼ばれる新しい量子エラー訂正符号の開発を行った。具体的には二変数バイシクル（BB）コードと名付けた符号を提案した。このコードは6-qubitのチェック演算子からなり、各量子ビットが6つのチェックに関わる。シンドローム測定回路は深さ8で、CNOT、初期化、測定のみを使う。量子ビット間の結合は次数6のグラフで表され、2つの平面的部分グラフに分解できる。
検証方法
回路ベースのノイズモデルを用いた数値シミュレーションを行った。符号の距離をdとし、d回のシンドローム測定サイクルを行った後の論理エラー率を評価した。各サイクルでのエラー発生率をpとし、pを0.1%から0.7%まで変化させて論理エラー率の変化を調べた。また、符号の性能指標として、擬似しきい値（論理エラー率と物理エラー率が等しくなる点）と、所要の量子ビット数（面積オーバーヘッド）も評価した。
分かったこと
提案したBBコードは、0.7%という高い擬似しきい値を示した。これは表面コードと同等の値である。一方で、BBコードは表面コードの10分の1の量子ビット数で同等の論理エラー率を達成できることがわかった。例えば、[[144,12,12]]という長さ144の符号で、0.1%の物理エラー率のとき、12個の論理量子ビットを100万回のサイクルにわたって2x10^-7の論理エラー率で保持できる。このとき必要な量子ビットは288個である。一方、表面コードでは同じ性能を出すのに3000個近くの量子ビットが必要になる。
この研究の面白く独創的なところ
LDPCコードの中でも特にBBコードに着目し、それが表面コードを上回る性能を発揮することを示した点が独創的である。BBコードの特徴の一つは、そのタナーグラフが「thickness 2」、つまり2つの平面グラフに分解できることである。これは超伝導量子ビットを使った実装に適している。さらに、グラフの対称性を利用した効率的なシンドローム測定回路の設計など、実装を見据えた工夫が随所に見られる。また、数値シミュレーションのために、高速な復号アルゴリズム（BP-OSD）を回路ベースのノイズモデルに適合させるなど、理論と実験を橋渡しする取り組みも興味深い。
この研究のアプリケーション
本研究で開発された量子エラー訂正法は、耐障害性量子メモリの実現に直結する。量子メモリは量子コンピューターにとって不可欠な要素であり、この研究成果はよりコンパクトで実用的な量子メモリの開発に貢献すると期待される。さらに、BBコードの構造を活かして、メモリ内の任意の論理量子ビットに対する読み書き操作や、小規模な表面コードとのインターフェースなども可能になる。提案手法の実装には、超伝導量子ビットの結合方式の工夫など、ハードウェア側の課題もあるが、近い将来の実験での検証が期待される。将来的には、量子シミュレーションや量子機械学習など、大規模な量子アルゴリズムの実行を支える基盤技術となることが期待される。
著者と所属
Sergey Bravyi, Andrew W. Cross, Jay M. Gambetta, Dmitri Maslov, Patrick Rall & Theodore J. Yoder (IBMQuantum)
詳しく解説
量子コンピューターは、量子力学の原理を利用して計算を行う新しいタイプのコンピューターです。従来のコンピューターでは解くのが難しい一部の問題、例えば素因数分解や最適化問題などを、高速に解けると期待されています。しかし、量子コンピューターを実現するためには、いくつかの技術的な課題があります。
その中でも特に重要なのが、量子エラー訂正です。量子情報は環境ノイズの影響を受けやすく、エラーが蓄積してしまう問題があります。これを放置すると、計算結果が台無しになってしまいます。そこで、量子エラー訂正の技術が必要になります。
量子エラー訂正では、複数の物理量子ビットを使って1つの論理量子ビットを表現します。物理量子ビットにエラーが発生しても、それを検出して訂正することで、論理量子ビットの情報を守るのです。ただし、エラーの発生率が一定のしきい値を超えると、訂正しきれなくなってしまいます。
これまで、表面コードと呼ばれる量子エラー訂正符号が、最もエラーしきい値が高い（約1%）とされてきました。しかし、表面コードは論理量子ビット1つあたりに必要な物理量子ビットの数（面積オーバーヘッド）が大きいという問題がありました。
今回、IBM Quantumのチームは、低密度パリティ検査（LDPC）コードと呼ばれる新しい量子エラー訂正符号を開発しました。特に、二変数バイシクル（BB）コードと名付けられた符号が、表面コードを上回る性能を示したのです。
BBコードは、6つの量子ビットが関わる演算子（チェック演算子）から構成されます。各量子ビットは6つのチェックに関わります。このような構造を持つコードのことを、LDPCコードと呼びます。
BBコードの特徴の1つは、そのタナーグラフ（量子ビットとチェック演算子の関係を表すグラフ）が「thickness 2」であること、つまり2つの平面グラフに分解できることです。これは、超伝導量子ビットを使った実装に適しています。
研究チームは、BBコードの性能を数値シミュレーションで評価しました。その結果、BBコードは0.7%という高いエラーしきい値を示しました。これは表面コードと同等の値です。一方で、必要な量子ビット数は表面コードの10分の1で済むことがわかりました。
例えば、[[144,12,12]]という144個の物理量子ビットからなるBBコードでは、0.1%の物理エラー率のとき、12個の論理量子ビットを100万回の操作にわたって、2x10^-7という低い論理エラー率で保持できます。同じことを表面コードでやろうとすると、3000個近くの量子ビットが必要になります。
この研究成果は、より実用的な量子コンピューターの実現に向けての大きな一歩となります。量子エラー訂正は、量子コンピューターにとって必要不可欠な要素です。BBコードのような効率的な量子エラー訂正符号を使えば、より少ない量子ビットで、より多くの計算を行えるようになるでしょう。
今後は、BBコードを実際の量子コンピューターで使うための技術開発が進められると期待されます。ハードウェアとソフトウェアの両面から、実装に向けた課題の解決が図られるでしょう。そして、大規模な量子アルゴリズムを実行するための基盤技術として、量子エラー訂正符号の重要性がますます高まっていくと考えられます。
急性の暑熱曝露による摂食抑制を仲介する脳幹-視床下部神経回路の発見
タニサイトという第三脳室周囲の特殊な細胞が、急性の暑熱ストレスに反応して活性化し、摂食量を減少させるのに必要であることが明らかになった。ウイルスを用いた神経回路の解析から、橋結合腕傍核の温度感受性グルタミン酸ニューロンがタニサイトを直接または視床下部ニューロンを介して間接的に興奮させることが示された。暑熱曝露後のタニサイトにおけるFos発現の増加は、VEGFAなどのシグナル分子の産生を示唆する。VEGFAは脳脊髄液中に放出されるのではなく、タニサイトの突起に沿って弓状核に放出され、Flt1受容体を発現するドーパミンニューロンとAgrpニューロンの発火閾値を上昇させることで、正味の摂食抑制効果をもたらす。急性の暑熱曝露およびグルタミン酸作動性橋結合腕傍核ニューロンの化学遺伝学的活性化は、Vegfa欠損やタニサイトからのVAMP2依存性エキソサイトーシス阻害に感受性を示しながら、数時間にわたって摂食量を減少させた。以上より、タニサイトは橋結合腕傍核の感覚入力を代謝制御の長期的な実行につなぐ多様な感覚統合の神経回路であると考えられた。
事前情報
これまでの研究から、長時間の暑熱曝露はマウスの代謝に大きな変化をもたらすことが知られている。また、橋結合腕傍核は温度感知の主要な中枢であり、体温調節に関わる視床下部領域に投射している。一方、第三脳室壁に存在するタニサイトは、脳実質と脳室システムや血管システムの間で物質輸送を担う特殊な細胞である。しかし、タニサイトが感覚入力によって調節され、何らかの物質放出を介して全身性の作用を発揮するかどうかは不明であった。
行ったこと
急性の暑熱曝露（40℃、1時間）がマウスの摂食量に及ぼす影響を解析した。
暑熱曝露後のタニサイトにおけるFosおよびpERK発現を免疫組織化学により検討した。
逆行性トレーサーおよびウイルスを用いた経シナプス性標識により、橋結合腕傍核ニューロンがタニサイトに投射することを解剖学的に示した。
Slc17a6-IRES2-FlpO-Dマウスの橋結合腕傍核にDREADDウイルスを注入し、グルタミン酸作動性ニューロンの活性化がタニサイトの活性化（Fos発現）を引き起こすことを示した。
パッチクランプ記録と電子顕微鏡解析により、タニサイトがグルタミン酸作動性シナプス入力を受けることを証明した。
カルシウムイメージングにより、グルタミン酸作動性ニューロンの活動がタニサイトのカルシウム応答を引き起こすことを示した。
単一細胞RNA-seqとFISH法により、暑熱曝露後のタニサイトでVegfaの発現が増加することを明らかにした。
RNAi法とコンディショナルな破傷風毒素軽鎖の発現により、タニサイト由来のVEGFAが暑熱曝露後の摂食抑制に必要であることを示した。
ケモジェネティクスとオプトジェネティクスを組み合わせ、グルタミン酸作動性橋結合腕傍核ニューロンの活性化がタニサイトを介して摂食抑制を引き起こすことを証明した。
検証方法
食餌量、体重、自発活動量の測定
免疫組織化学による脳切片の解析（Fos, pERK, vimentin, VGLUT2, TH, AGRP, POMC, Flt1など）
逆行性トレーサー（AAVrg）とウイルス（WGA-Cre AAV）を用いた神経回路解析
DREADDを用いたケモジェネティクス
パッチクランプ記録法
免疫電子顕微鏡法
GCaMP5gを用いたカルシウムイメージング
単一細胞RNA-seq
蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）法
Vegfa siRNAの脳室内投与
Cre依存性の破傷風毒素軽鎖発現ウイルスの脳室内投与
ケモジェネティクスとコンディショナルな神経伝達阻害の併用
分かったこと
急性の暑熱曝露（40℃、1時間）は、雌雄のマウスで24時間の摂食量を有意に減少させる。
暑熱曝露は、タニサイト、特にα-タニサイトにおけるFosとpERKの発現を誘導する。
橋結合腕傍核のグルタミン酸作動性ニューロンは、直接的または視床下部ニューロンを介して間接的にタニサイトに投射する。
タニサイトはグルタミン酸作動性シナプス入力を受け、それに応答してカルシウムトランジェントを生じる。
暑熱曝露は、タニサイトにおけるVegfa mRNAとタンパク質の発現を増加させる。
VEGFAは、脳脊髄液中に放出されるのではなく、タニサイトの突起から弓状核に放出される。
VEGFAは、Flt1受容体を発現するドーパミンニューロンとAgrpニューロンの活動を抑制する。
Vegfa siRNAやタニサイトからのVAMP2依存性エキソサイトーシス阻害は、暑熱曝露による摂食抑制を減弱させる。
グルタミン酸作動性橋結合腕傍核ニューロンの活性化は、タニサイトの機能に依存して摂食を抑制する。
この研究の面白く独創的なところ
本研究は、暑熱曝露による摂食抑制という生理現象の背景に、橋結合腕傍核からタニサイトへの直接投射という新規の神経回路が存在することを明らかにした点で独創的である。また、タニサイトが単なる脳室壁の細胞ではなく、感覚入力に応答して神経ペプチドを放出し、視床下部ニューロンの活動を制御する能動的な細胞であることを示した点も画期的である。VEGFAが脳脊髄液を介するのではなく、局所的に放出されて摂食抑制効果を発揮するという知見も新しい。さらに、急性の暑熱ストレスに対する代謝的な防御反応という普遍的な生理現象の背景に、橋結合腕傍核-タニサイト-視床下部ニューロンという新たな神経回路モデルを提唱した点で、本研究は高く評価できる。
この研究のアプリケーション
本研究の知見は、肥満や糖尿病など代謝性疾患の治療法開発に応用できる可能性がある。過食による肥満の背景には、満腹中枢の感受性低下があると考えられている。本研究で明らかになった神経回路は、暑熱というストレス刺激に対する生理的な食欲抑制機構の一端を担っている。したがって、橋結合腕傍核ニューロンの活性化やタニサイトからのVEGFA放出を薬理学的に促進することで、満腹中枢の感受性を高め、過食を抑制できるかもしれない。また、肥満に伴う体温調節障害に対しても、この神経回路を標的とした治療が有効である可能性がある。ただし、実際の応用にあたっては、慢性的な摂食抑制が栄養状態に及ぼす影響など、安全性の評価が不可欠である。将来的には、脳深部刺激療法など、特異的な神経修飾技術との組み合わせも期待される。
著者と所属
Marco Benevento, Alán Alpár, Anna Gundacker, Leila Afjehi, Kira Balueva, Zsofia Hevesi, János Hanics, Sabah Rehman, Daniela D. Pollak, Gert Lubec, Peer Wulff, Vincent Prevot, Tamas L. Horvath & Tibor Harkany (Medical University Vienna, Semmelweis University, University of Bonn, INSERM, Yale University School of Medicine)
中性子星の熱核爆発が、ジェットの速度の秘密を明らかにした
中性子星からは、ブラックホールと同様に相対論的ジェットが噴出している。このジェットの速度を測定することは、ジェットの駆動メカニズムを解明する上で重要だが、これまで実現していなかった。中性子星は表面で不安定な熱核燃焼が起こり、明るいX線バーストを引き起こす。我々は、このX線バーストの直後に、ジェットの明るさが数分間増大する現象を発見した。これは質量降着率の増加によるものと考えられる。この現象を利用して、中性子星コンパクトジェットの速度がβ=0.38-0.08+0.11であると測定した。この速度は、同程度の光度のブラックホールジェットよりもずっと遅い。この発見により、個々の天体の性質がジェットの速度に与える影響を解明し、ジェット駆動メカニズムに迫ることができると期待される。
事前情報
相対論的ジェットは、ブラックホールや中性子星などの降着天体から噴出し、周囲に大きな影響を与えている。しかし、そのジェットがどのように生み出されているのかは分かっていない。中性子星の場合、コンパクトジェットの速度を測定することで、ジェットが降着流に付随する磁場で駆動されているのか、中性子星自体の磁場で駆動されているのかを判別できると考えられている。しかし、これまでそのような速度測定は実現していなかった。一方、中性子星は表面で不安定な熱核燃焼が起こり、type-I X線バーストと呼ばれる明るい爆発を起こすことが知られている。このバースト中には質量降着率が増加することも分かっている。
行ったこと
中性子星のtype-I X線バーストの直後に、ジェットの明るさが数分間増大する現象を発見した。これは質量降着率の増加によってジェットが明るくなったものと解釈できる。この明るさの増大現象を利用して、中性子星コンパクトジェットの速度を測定した。
検証方法
X線バーストの前後でジェットの明るさを比較し、ジェットの明るさの増大を確認した。この増光現象の時間変化からジェットの速度を見積もった。
分かったこと
中性子星コンパクトジェットの速度はβ=0.38-0.08+0.11と測定された。この速度は、同程度の光度のブラックホールジェットよりもずっと遅いことが判明した。
この研究の面白く独創的なところ
中性子星のX線バーストに着目し、バースト直後のジェットの増光現象を利用してジェットの速度を測定した点が独創的である。これまで中性子星ジェットの速度測定は実現していなかったが、バーストという劇的な現象を巧みに利用することで、初めて速度測定に成功した。また、測定の結果、中性子星ジェットの速度がブラックホールジェットよりもずっと遅いことが判明した点も意外であり、ジェットの駆動メカニズムを考える上で重要な手がかりになると期待される。
この研究のアプリケーション
この研究により、個々の天体の性質（質量、磁場、降着率など）がジェットの速度にどのような影響を与えるのか解明する道筋ができた。これは、ジェットの駆動メカニズムの解明に直結する重要な知見である。また、宇宙ジェットは銀河の進化や宇宙線の加速に大きな影響を与えていると考えられており、ジェットの物理の理解は宇宙物理学全体にとって重要なテーマである。今回の発見は、ジェットの物理の解明に向けた大きな一歩になると期待される。
著者と所属
Thomas D. Russell, Nathalie Degenaar, Jakob van den Eijnden, Thomas Maccarone, Alexandra J. Tetarenko, Celia Sánchez-Fernández, James C. A. Miller-Jones, Erik Kuulkers & Melania Del Santo (University of Amsterdam, Texas Tech University, University of Oxford, European Space Agency, Curtin University, IASF-Palermo)
詳しく解説
この研究は、中性子星から噴出する高速のジェット（物質の流れ）の速度を初めて測定することに成功し、その速度がブラックホールのジェットよりもずっと遅いことを明らかにしました。
宇宙には、ブラックホールや中性子星などのコンパクト天体があります。これらの天体は、周囲の物質を強い重力で引き寄せ（降着）、降着円盤を形成します。そして、降着円盤から高速のジェットが噴出していることが知られています。このジェットは相対論的な速度（光速に近い速度）で移動しており、周囲の物質を掃き集めて加熱したり、衝撃波を引き起こしたりと、宇宙の物理現象に大きな影響を与えています。
しかし、このジェットがどのようにして生み出されているのか、その詳しいメカニズムはよく分かっていませんでした。特に、ジェットの速度を決めている要因は何なのか、大きな謎でした。中性子星の場合、ジェットの速度を測定することができれば、ジェットが降着円盤の磁場で加速されているのか、それとも中性子星自身の磁場で加速されているのかを判別できると考えられていました。しかし、これまでジェットの速度を直接測定することは難しく、実現していませんでした。
この研究では、中性子星の表面で起こる大規模な熱核爆発に着目しました。中性子星は、降着によって表面に溜まった水素やヘリウムが核融合反応を起こし、大爆発（X線バースト）を引き起こすことがあります。研究チームは、このX線バーストの直後に、ジェットの明るさが数分間増大する現象を発見しました。これは、バーストによって降着率が一時的に増加し、それに伴ってジェットが明るくなったものと解釈できます。
研究チームは、このジェットの増光現象に着目し、その時間変化からジェットの速度を見積もることに成功しました。その結果、驚くべきことに、中性子星のジェットの速度は、光速の38%程度（β=0.38）であることが判明しました。これは、同程度の明るさのブラックホールジェットの速度（光速の90%以上）よりもずっと遅いのです。
この発見は、天体の性質がジェットの速度にどのような影響を与えるのかを解明する上で、重要な手がかりになります。中性子星とブラックホールでは、サイズや磁場の強さ、降着の様子が大きく異なります。今回の結果は、これらの違いがジェットの速度に反映されている可能性を示唆しています。例えば、中性子星の強い磁場がジェットを減速している可能性や、降着流の性質の違いがジェットの速度に影響を与えている可能性などが考えられます。
今後、様々な中性子星やブラックホールでジェットの速度を測定し、比較することで、ジェットの駆動メカニズムの全容が明らかになることが期待されます。また、ジェットは銀河の進化や宇宙線の加速に大きな影響を与えていると考えられており、その物理の理解は宇宙物理学全体にとって重要なテーマです。今回の発見は、ジェットの物理の解明に向けた大きな一歩になるでしょう。
最後に
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