あらゆる材料に適用可能な量子ビット評価手法を確立~2次元材料・ヘテロ構造まで網羅~

2025-11-28 東北大学

東北大学の研究チームは、材料中に含まれる「量子ビット(スピン中心など)」の量子状態の安定性を、高速かつ広範囲に評価できる新手法を開発した。これまでこのような安定性評価は三次元材料に限られていたが、本研究ではその理論を拡張し、二次元材料やヘテロ構造材料にも適用可能とした。この方法により、量子コヒーレンス(量子的情報を保つ時間)が長い可能性のある約190種類の二次元材料を特定したという。研究では、材料内部の磁気揺らぎが量子状態を乱す主な要因と考え、その揺らぎを理論計算とシミュレーションで解析することで、従来困難だった材料探索の迅速化を実現。量子コンピューターや量子センサーなど、AI時代に必要とされる量子デバイスの材料スクリーニングに共通の指針を提供するもので、量子技術の発展に貢献する成果である。

あらゆる材料に適用可能な量子ビット評価手法を確立~2次元材料・ヘテロ構造まで網羅~
図1. 位相緩和時間(T₂)の計算研究の発展史
1925~26年に量子力学の基礎方程式(シュレディンガー方程式・ハイゼンベルグ方程式)が確立した。1972年にT₂計算の理論原理が提案されたものの、実在材料では膨大な行列計算のため実用的な解析は困難だったが、2008年にクラスター相関展開法(CCE)により実用的な近似計算が可能となった。2021年に東北大学・シカゴ大学の共同研究により、三次元材料のT₂を代数的に表現できる「一般化スケーリング則」が発見された。本研究はこの理論を二次元およびヘテロ構造材料へと拡張するものである。

<関連情報>

長いスピン量子ビットコヒーレンス時間を持つ2次元物質の探索戦略 Strategies to search for two-dimensional materials with long spin qubit coherence time

Michael Y. Toriyama,Jiawei Zhan,Shun Kanai & Giulia Galli
npj 2D Materials and Applications  Published:26 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41699-025-00623-8

We are providing an unedited version of this manuscript to give early access to its findings. Before final publication, the manuscript will undergo further editing. Please note there may be errors present which affect the content, and all legal disclaimers apply.

Abstract

Two-dimensional (2D) materials that can host qubits with long spin coherence time (T2) have the distinct advantage of integrating easily with existing microelectronic and photonic platforms, making them attractive for designing novel quantum devices with enhanced performance. However, the relative lack of 2D materials as spin qubit hosts, as well as appropriate substrates that can help maintain long T2, necessitates a strategy to search for candidates with robust spin coherence. Here, we develop a high-throughput computational workflow to predict the nuclear spin bath-driven qubit decoherence and T2 in 2D materials and heterostructures. We initially screen 1172 2D materials and find 189 monolayers with T2 > 1 ms, higher than that of naturally-abundant diamond. We then construct 1554 lattice-commensurate heterostructures between high-T2 2D materials and select 3D substrates, and we find that T2 is generally lower in a heterostructure than in the bare 2D host material; however, low-noise substrates (such as CeO2 and CaO) can help maintain high T2. To further accelerate the material screening effort, we derive analytical models that enable rapid predictions of T2 for 2D materials and heterostructures. The models offer a simple, yet quantitative, way to determine the relative contributions to decoherence from the nuclear spin baths of the 2D host and substrate in a heterostructural system. By developing a high-throughput workflow and analytical models, we expand the genome of 2D materials and their spin coherence times for the development of spin qubit platforms.

1603情報システム・データ工学
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