【自作量子コンピュータ NMRQCP】リレーを使って回路を切り替える！

10月 03, 2026

こんにちは！自作の地球磁場NMR（EFNMR）方式で量子コンピューターの開発に挑戦している高専生です。

今回は、量子コンピューターのハードウェア制御の要となる「タイミングの切り替え」について、僕が実際に書いたプログラムとそのテストの様子を紹介します！

「分極」と「受信」の絶対に間違えられないタイミング

EFNMRでは、水の中のプロトン（水素原子核）の向きを地球磁場と直交する向きに揃えるために、コイルに強力な電流を流す「分極（Polarization）」というフェーズがあります。

しかし、その直後に極めて微小な「FID信号」を拾う「受信（Receiving）」フェーズに移らなければなりません。この2つを同時に行うと、大電流が繊細な受信回路に流れ込んでしまい、あっという間にパーツが黒焦げになってしまいます（過去のオペアンプ焼損事件の教訓です）。

M5Stackとリレーで「自動切り替え」を作る

そこで、この2つの状態を安全かつ自動で繰り返す仕組みを作りました。使うのは、小さなマイコン「M5Stack CoreS3 Lite」と、「M5Stack用ミニリレーユニット」です。

開発環境にはArduino IDEを使い、M5Unifiedというライブラリを利用して、基礎的なステータスマシン（状態遷移）のプログラムを書きました。

    // --- 1. 分極フェーズ (Polarization) ---

    digitalWrite(RELAY_PIN, LOW); // リレーOFF

    M5.Display.println("1. Polarizing...");

    M5.Display.println("Relay: OFF (Charge)");

    delay(5000); // 5秒間分極させる

    // --- 2. 受信フェーズ (Receiving) ---

    digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH); // リレーON

    M5.Display.println("2. Receiving...");

    M5.Display.println("Relay: ON (Listen)");

    delay(3000); // 3秒間信号を受信する

動きはとてもシンプルです。まずリレーをOFFにして、5秒間コイルに大電流を流して分極させます。次にリレーをONにしてコイルからの電流を物理的に遮断し、3秒間オペアンプ（受信回路）側に切り替えて信号を待ちます。

実際の動作テストの様子

実際に動かしてみたときの写真がこちらです。

M5StackのGroveポート（8番ピン）にリレーユニットを接続し、画面のテキストを緑色に設定して現在のステータスを表示させています。写真ではちょうど「2. Receiving...」「Relay: ON (Listen)」のフェーズが実行されているのが分かりますね。

カチッ、カチッと物理的なリレーの音を立てて、数秒おきに自動でフェーズが切り替わるのを見ると、「システムがちゃんと生きている！」と感動します。これでハードウェアを壊すことなく、安全に実験を回すための心臓部が完成しました。

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