| 研究課題/領域番号 |
16H06326
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| 研究機関 | 横浜国立大学 |
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研究代表者 |
小坂 英男 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (20361199)
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| 研究分担者 |
水落 憲和 京都大学, 化学研究所, 教授 (00323311)
寺地 徳之 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主席研究員 (50332747)
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| 研究期間 (年度) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| キーワード | 量子メディア変換 / 量子テレポーテーション / 量子もつれ / 量子操作 / 縮退スピン / 幾何学量子 / 光子 / 核子 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、固体中のナノ量子システムにおいて、スピン縮退した量子系の幾何学的量子操作により、長距離伝送光子の量子状態を多数の核子で構成された集積量子メモリーに選択的に書き込み、長時間保持し、誤り訂正し、メモリー間の量子もつれを読み出す技術を確立することを目的としている。
Ｈ２８年度には提案時当初の計画通り、量子テレポーテーション原理による光子から核子への量子メディア変換を行った。これは、伝送媒体である光子から記憶媒体である核子に量子状態を転写して保存する量子メディア変換を行ったという意義がある。この実現には、電子のスピン軌道相互作用、電子・核子間の超微細相互作用という物質に内在する量子もつれの力を利用した、提案者が考案した伝令付き量子テレポーテーション転写の手法を用いた。
Ｈ２９年度には提案時当初の計画通り、NV周辺の多数の同位体炭素（13C天然存在比で１％）の核子を集積メモリーとして利用し、光子の偏光量子から複数の同位体炭素13Cの核子への選択的な転写に成功した。13C核子には14N核子のようなゼロ磁場分裂がないので、窒素をナノマグネットとして用いて電子－炭素間の量子もつれを生成し、ゼロ磁場下での転写を忠実度７８％で実証した [Communications Physicsにて印刷中]。さらに、炭素二つと結合したNV中心を用い、片方の炭素のみへの選択的な転写にも忠実度は約８０％で成功した。独自のGRAPE手法で波形最適化されたマイクロ波を用い、複数の13Cの中からターゲットとする13Cだけを電子ともつれさせることで、これを可能とした。以上により、集積量子メモリー核子への選択的量子状態転写の目途を得た。また、集積メモリー核子間の決定論的量子もつれ測定へ向け、マイクロ波あるいは光波を用いた電子スピンのホロノミック（幾何学的）量子操作に成功した[Optics Letters掲載]。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
提案書提出時の当初の予定では、複数核子による量子誤り訂正を行う予定であった。複数の同位体炭素と結合したNVでは、電子スピンのコヒーレンスが1μsのオーダーで消失する。これを回避するため、パリティチェックと同じ要領で3つのメモリーで一つの論理メモリーを構成し、信号ビットのエラーが二つの補助ビットに同時に反映することを検知し訂正する手法がある。これに対し、独自の幾何学的デカップリング（バンバンエコー）の技術を開発し、複数の炭素同位体がある環境下でも量子誤り訂正することなく、量子メモリー時間を３０００倍伸長することに成功した。これは提案時当初の予想を超える成果であり、計画以上の進展があったといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
Ｈ３０年度以降には、集積メモリー核子間の決定論的量子もつれ測定を行う。二つの核子間の量子もつれ状態を完全測定（完全ベル測定）することにより、電子の状態と光子により伝送された状態との間の決定論的な量子もつれ測定を可能とする。これにより、光子から核子への量子メディア変換に成功した際には、絶対に失敗のない決定論的な量子状態スワップが可能となる。これが一方向型量子中継の必要条件である。このためには、量子もつれ測定を一度始めたら確実な答えを出す測定（シングルショット測定）が不可欠である。このシングルショット量子もつれ測定は、通常の非縮退の最近接核子を用いた例はあるが、縮退した遠方の核子では例がない。
最終年度までには、ダイヤモンド光電量子変換素子へ向けた取り組みを行う。上述の全技術を総合し、一方向型の量子中継伝送を実証する。光子から核子への量子メディア変換と完全な量子もつれ検出により、転写の成功ともつれ状態を知らせる古典信号（通知）の流れを一方向に限定することができる。これにより、従来（第二世代）の両方向型の量子中継では不可能であったスケーラブルな第三世代の量子通信ネットワークが構築できる。
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