| 研究課題/領域番号 |
20H05661
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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 |
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)
加藤 宙光 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 上級主任研究員(※) (00415655)
松崎 雄一郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (10618911)
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| 研究期間 (年度) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| キーワード | ダイヤモンド / NV中心 / 量子ストレージ / 量子メディア変換 / 量子コンピュータ |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、NV遠方の深層炭素集団を量子ストレージとし、幾何学的デカップリングによる深層炭素の個別量子もつれ生成、単一光子から単一深層炭素への選択的な量子メディア変換、任意の深層炭素間の量子もつれ測定、量子符号化によるフォールトトレラント化、NVアンサンブルへの拡張による大規模量子ストレージ化を実現する。完全無磁場下で動作する量子ストレージは超伝導量子ビットとの整合性が高く、量子インターネットで接続された量子コンピュータネットワークによる分散型量子計算や秘匿量子計算などに道を拓く。
本年度は以下の成果を得た。
・単一光子から単一深層炭素への選択的な量子メディア変換
電子と狙った深層炭素との量子もつれを生成し、独自の量子もつれ吸収手法を用いることで、量子テレポーテーションの原理による光子から狙った炭素への選択的な量子状態転写（光子炭素間量子メディア変換）を完全ゼロ磁場において行った。実験で得られた平均忠実度は90%であった。光子から炭素への転写の際、仲介する電子のスピン状態を窒素に転写してシングルショット測定（量子非破壊測定）することで、転写後の炭素の量子状態を破壊することなく転写成功を検知した。また、一方の光子の量子状態を破壊されにくい深層炭素に転写して保管し、深層炭素の量子状態を維持しながら他方の光子の量子状態を表層炭素へ転写できることも確認した。
・任意の深層炭素間の量子もつれ測定
量子インターフェースの最重要機能は炭素間の完全ベル測定である。完全ゼロ磁場において、表層炭素と深層炭素の２つの炭素間の量子もつれを量子非破壊測定することで、完全ベル測定することに世界で初めて成功した。実験で得られた平均忠実度は83%であった。今回は片方の炭素に表層炭素を用いたが、同手法は任意の深層炭素に適応できる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
・単一光子から単一深層炭素への選択的な量子メディア変換
電子と狙った深層炭素との量子もつれを生成し、独自の量子もつれ吸収手法を用いることで、量子テレポーテーションの原理による光子から狙った炭素への選択的な量子状態転写（光子炭素間量子メディア変換）を完全ゼロ磁場において行った。実験で得られた平均忠実度は90%であった。光子から炭素への転写の際、仲介する電子のスピン状態を窒素に転写してシングルショット測定（量子非破壊測定）することで、転写後の炭素の量子状態を破壊することなく転写成功を検知した。また、一方の光子の量子状態を破壊されにくい深層炭素に転写して保管し、深層炭素の量子状態を維持しながら他方の光子の量子状態を表層炭素へ転写できることも確認した。
・任意の深層炭素間の量子もつれ測定
量子インターフェースの最重要機能は炭素間の完全ベル測定（4種類ある量子もつれ状態の完全な識別）である。完全ゼロ磁場において、表層炭素と深層炭素の２つの炭素間の量子もつれを量子非破壊測定することで、完全ベル測定することに世界で初めて成功した。実験で得られた平均忠実度は83%であった。今回は片方の炭素に表層炭素を用いたが、同手法は任意の深層炭素に適応できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
・深層炭素の量子符号化によるフォールトトレラント化
深層炭素に保存した量子状態も、炭素間結合や外部磁場の変動などのノイズにより破壊が進む。そのため、ビット誤り（０と１の入れ替え）や位相誤り（０と１を軸とする位相回転）を自動補正する量子符号化の手法を確立する必要がある。
・NVアンサンブルへの拡張による大規模量子ストレージ化
一つのNVに含まれる深層炭素は高々100個程度であるが、窒素イオン注入などにより集積化されたNVアンサンブルを用いることで、大規模な量子ストレージが構築できる。無磁場下で動作するため磁場不均一性の問題がない。100x100個のNVに光アクセスできれば、深層炭素と合わせて１Mビット規模の量子ストレージが実現できる。NV間隔が1um程度以上離れていれば、独自開発の共鳴光によるホロノミック量子操作で個別操作できるが、光学励起状態の緩和時間は12nsと早く、操作忠実度は95%程度に留まる。一方、マイクロ波を用いたホロノミック量子操作では99.5%以上の操作忠実度を既に得ているがNVの個別操作はできない。そこで、非共鳴光による周波数シフト（光シフト）に同調したマイクロ波によるホロノミック量子操作で高い忠実度の個別操作を可能とする。各NVの位置情報と深層炭素のハミルトニアンを機械学習することにより、NVアンサンブルと深層炭素集団の階層構造で大規模化された量子ストレージへの万能量子メディア変換を可能とする。
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