世界初、ダイヤ中でエラー耐性量子演算処理に成功

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室温万能量子コンピューターに道

2018/08/13 科学技術振興機構(JST),横浜国立大学

ポイント
  • 量子コンピューターの実現には量子ビットの脆弱性の克服が課題であった。
  • ダイヤモンド中の電子や核子のスピンを量子ビットとして用い、操作エラーや環境ノイズに耐性のある演算処理を実現した。
  • 室温かつ完全無磁場下でのスピン操作が可能となり、より汎用的な量子情報技術として発展が期待される。

JST 戦略的創造研究推進事業において、横浜国立大学の小坂 英男 教授、同 大学院工学府 博士課程の長田 昂大 大学院生(前期2年)、倉見谷 航洋 大学院生(後期1年)は、ダイヤモンド中の窒素空孔中心(NV中心)注1)にある電子や核子のスピン注2)を量子ビット注3)として用い、室温の完全無磁場下で、操作エラーや環境ノイズに耐性を持ち自在に多量子操作ができる万能な量子ゲート操作注4)に世界で初めて成功しました。幾何学性を利用することにより、従来必要であったエラー訂正が不要で任意の精度の量子操作が可能となります。幾何学量子ビット注5)と名付けたこの独自の量子ビットのホロノミック量子ゲート操作注6)により、エラー耐性を持ち、より高速で高精度な演算が可能になります。

量子コンピューターや量子暗号通信の実現には量子ビットの脆弱性の克服が課題でしたが、ダイヤモンド中のNV中心に存在するスピン量子ビットは、操作の正確性や情報保持時間の観点で有望視されていました。本研究では、これまでの量子ビットとは異なり、エネルギー差がない2つのスピン状態を量子ビットとして用いた独自の量子ゲート操作技術を開発しました。

本成果は、室温で動作する万能量子コンピューターや量子シミュレーター、これらを量子暗号通信注7)でネットワーク接続するために不可欠な量子中継注8)や量子センシング、量子計測、IoTセキュリティーデバイスなど、あらゆる量子情報素子の実現へ道を拓くと期待されます。

本研究成果は、2018年8月13日(英国時間)に「Nature Communications」のオンライン版で公開されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)

研究領域:「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出」
(研究総括:荒川 泰彦 東京大学 特任教授)

研究課題:「ダイヤモンド量子セキュリティ」(課題番号 JPMJCR1773)

研究代表者:小坂 英男(横浜国立大学 大学院工学研究院/先端科学高等研究院 教授)

研究期間:平成29年10月~平成35年3月

本研究課題では、ダイヤモンド中の窒素空孔中心(NV中心)における光子と電子の自発的な量子もつれ発光・吸収を基礎とし、光子から核子への伝令付き量子テレポーテーション転写、電子と核子のエラー耐性のあるホロノミック量子ゲートなどの研究開発により、量子コンピューターや量子暗号通信とこれらを接続する量子中継の実用化に道を拓きます。

<研究の背景と経緯>

近年、ゲート方式によるアルゴリズムを採用した、どのような計算もできる万能量子コンピューターの実現が期待されています。しかし、量子ゲートの研究開発では、操作エラーや環境ノイズに対する脆弱性の克服(エラー耐性の獲得)が課題となっています。また、ゲート方式で用いられる超伝導体はミリケルビン(mK)域の極低温環境で動作させる必要があり、室温で動作可能な量子コンピューターの開発が望まれています。

一方で、盗聴できない絶対安全な通信を可能とする量子暗号通信の開発も進んでいます。現状の技術では量子暗号通信ができる距離は100km程度ですが、1,000km以上に大規模ネットワーク化できれば、絶対安全な量子インターネット通信が実現するだけでなく、量子クラウドネットワーク上に置かれた情報を開示することなく利用できるようにもなります。しかしその実現には、インターフェース機能を備えた量子中継器と呼ばれる小型の量子コンピューターが必要です。

これらの実現には、量子情報の最小単位である量子ビットを正確に操作し、かつ量子ビットの持つ情報が長時間保存されている必要があります。しかし、量子ビットは操作エラーや環境ノイズに対して脆弱であり、エラー訂正をするためには膨大な冗長性が必要となるという問題がありました。そこで、この量子の脆弱性を克服するための操作手法の開発や量子ビットの候補となる量子系などが世界中で探索されてきました。

このような状況の中で、窒素空孔中心(NV中心)が、量子ビットの有力候補として注目されています。NV中心は、ダイヤモンド中の炭素原子が1つ欠損した空孔とこれに隣接した窒素原子から構成される色中心(カラーセンター)の一種です。NV中心に天然に存在するスピン量子ビットは、操作の正確さや保存時間の長さ、また将来のデバイス化に向けた高密度集積性という観点から有力視されています。

これまでの研究では、このスピン量子ビットに対してマイクロ波やレーザー光を用いた量子操作法が考案され、量子情報を10秒以上保存できることが実証されました。ところが、これらの量子操作法には原理上避けることができない操作エラーが含まれており、量子ビットに対する操作精度の向上に限界がありました。

<研究の内容>

本研究では、磁場を完全に排除し、エネルギー差のない上向きと下向きのスピンを量子ビットとして用いました。エネルギー差がないため操作が困難になるのと引き換えに、操作エラーや環境ノイズに対する耐性が得られます。本グループは、NV中心にあるエネルギー差のないスピン量子ビットに、2本の直交したワイヤーから「偏光したマイクロ波」を印加して幾何学的に量子操作することを提案し、量子ゲート操作の実験に成功しました。「幾何学量子ビット」と名付けたこのスピン量子ビット操作手法は、課題であったエラーを排除することができ、操作精度の限界を実質上なくすことができます(図1)。

ダイヤモンド中のNV中心では、空孔内の電子や窒素原子内の核子が、粒子の自転運動(スピン)に対応した特有の量子自由度を持ち、それぞれ電子スピン、核スピンと呼ばれます。これらのスピンは、完全な無磁場下において、エネルギー差のない上向きと下向きのスピンの準位とこれらより低いエネルギーを持つ補助準位で構成される、V型の準位構造を取ります(図2)。

光は空間を伝わる電磁波で、その振動方向が空間的に偏ることを偏光といいます。今回提案した幾何学量子ビットでは、同様に電磁波であるマイクロ波を「偏光」することで、幾何学的な量子ゲート操作を実現しました。ここでいう空間とは、通常の空間ではなく、SU(3)と呼ばれるV型三準位で構成された特殊な幾何学的空間です。

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