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2021 年度 実績報告書

ノイズ存在下における量子情報処理の基礎付けと応用

研究課題

研究課題/領域番号 20J01757
配分区分補助金
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

龍田 真美子  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 産業技術総合研究所新原理コンピューティング研究センター 量子エンジニアリングチーム, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2023-03-31
キーワード量子センシング / 猫状態 / エンタングルメント / ダイヤモンドNV中心
研究実績の概要

今年度は、共著論文が2本出版され、ほか1本の投稿が済んだ。
1本目は、量子系の時間発展を用いて量子センシングに有用な状態(猫状態)を作り出し、磁場センサーとして高い感度を出すという内容である。通常、センシングに有用なエンタングル状態を作るには量子ビット同士の相互作用の細やかな制御や複雑なゲート操作が必要となるが、本スキームでは、1次元スピン鎖の端のスピンの読み出しを最初に行うだけで、その影響が次々と隣のスピンへ伝搬し、その結果猫状態が作られる。さらに、そのままその猫状態を測定したい外部磁場に一定時間さらして時間発展をさらに続け、最後に改めて端のスピンに読み出しを行うと、高感度センシングができるというものである。この結果はPhysical Review A誌で出版された。
2本目は、上記と同じく猫状態を生成して磁場センサーとして高い感度を出すという内容であるが、重要なのは断熱操作を使うことで、量子センサーとして特に優秀なGHZ状態を簡単に作り出すという点である。これもまた、相互作用の細やかな制御等を必要としない。我々はさらに、初期状態の準備にかかる時間や読み出しにかかる時間を考慮し、その上でこのセンシングスキームが古典センサーの性能を上回ることを示した。この結果はNew Journal of Physics誌で出版された。
3本目は実験の論文で、ダイヤモンド中のNV中心の相互作用強度を制御するという内容である。ダイヤモンドNV中心は量子センサーとしてその有用性が認識されているが、生成過程の性質上相互作用の強さを思い通りに調節したサンプルを用意することは極めて難しい。今回我々は、異なる量子化軸をもった相互作用するNV中心のペアについて、一つのNV中心にだけ共鳴するマイクロ波を印加することによって、マイクロ波強度に応じて実効的な相互作用の強さを変化させることができることを実演した。

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

私が第一著者となる論文はまだ出せていないが、3本の論文のうち、ひとつは私がラストオーサーとなり、ひとつは(私の専門が理論であるとにもかかわらず)実験の論文なので、多様な研究活動ができたと考えられる。

今後の研究の推進方策

当初から予定している、連続測定によって猫状態が徐々に生成されていく様子を探る研究課題については、解析計算と数値計算に(本質的に重要なスケーリングに関しては一致が見られるものの)定数倍の不一致がみられるため、その原因を点検しつつ論文としてまとめていきたい。
また、量子センサの基礎づけとなる量子フィッシャー情報量と猫状態の関係についても、あるパラメータ領域では等価であるという重要な関係が確認できたものの、より広いパラメータ領域で成立するかを証明するために、数学の様々な定理を活用していく必要がある。

  • 研究成果

    (4件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 2件)

  • [国際共同研究] Massachusetts Institute of Technolog/Harvard University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Massachusetts Institute of Technolog/Harvard University
  • [雑誌論文] Quantum metrology based on symmetry-protected adiabatic transformation: imperfection, finite time duration, and dephasing2022

    • 著者名/発表者名
      Hatomura Takuya、Yoshinaga Atsuki、Matsuzaki Yuichiro、Tatsuta Mamiko
    • 雑誌名

      New Journal of Physics

      巻: 24 ページ: 033005~033005

    • DOI

      10.1088/1367-2630/ac5375

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dressed-state control of effective dipolar interaction between strongly-coupled solid-state spins2022

    • 著者名/発表者名
      Junghyun Lee, Mamiko Tatsuta, Andrew Xu, Erik Bauch, Mark J. H. Ku, and Ronald. L. Walsworth
    • 雑誌名

      arXiv

      巻: arXiv:2203.07610 ページ: 1~8

    • オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Entanglement-enhanced sensing using a chain of qubits with always-on nearest-neighbor interactions2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshinaga Atsuki、Tatsuta Mamiko、Matsuzaki Yuichiro
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 103 ページ: 062602~062602

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.103.062602

    • 査読あり

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公開日: 2022-12-28   更新日: 2023-08-01  

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