横浜国立大学の小坂英男教授らの研究グループは、ダイヤモンド中の窒素空孔中心にある電子や核子のスピンを量子ビットとして用い、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に世界で初めて成功した。室温万能量子コンピューターの実現が期待される。

 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(量子情報処理の基本単位)の脆弱性の克服が課題だったが、ダイヤモンド中の窒素空孔中心(NV中心:炭素原子を置換した窒素原子と、炭素原子が1つ欠損した空孔とが隣接した構造)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た。

 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た。エネルギー差がないため操作が困難になるが、操作エラーや環境ノイズに耐性がある。研究グループは、室温でも安定なNV中心にある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(量子情報の演算基本単位)の実験に成功した。「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して操作精度の限界を実質上なくすことができる。

 今回の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でネットワーク接続するために不可欠な量子中継(光子が届かない遠方に量子情報を送る手段)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る。

論文情報:【Nature Communications】“Universal holonomic quantum gates over geometric spin qubits with polarised microwaves

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