NTTなど、量子センサ実現へダイヤモンド中電子スピンの寿命の改善法を確立

NTTと国立情報学研究所(NII)、大阪大学、情報通信研究機構(NICT)は、ダイヤモンド中に閉じ込められた電子スピンに超伝導磁束量子ビットを結合させることにより、ダイヤモンド中の電子スピンの寿命が約10倍に伸びることを示したと発表した。

今回の研究成果は、2015年3月23日に「Physical Review Letters」で公開された。なお同研究の一部は、最先端研究開発支援プログラム(FIRST)、JSPS科研費No. 25220601、NICTの委託研究「量子もつれ中継技術の研究開発」により得られたもの。

ダイヤモンド中の電子スピンは、数十nm程度の局所領域に閉じ込めることが可能であり、磁場や電場や温度を高い精度で検出できることから、ナノスケールの物質構造などを高精度でイメージングできるとされる量子センサへの応用が期待されている。しかし、ノイズが存在する環境下では寿命が短くなることから十分な計測時間の確保ができず、センサとしての感度が劣化するという問題点があり、ダイヤモンド中の電子スピンの寿命の向上は大きな課題となっている。

NTT物性科学基礎研究所、NII、大阪大学、NICTの研究チームでは、2011年に複数のダイヤモンド中の電子スピンと設計自由度が広く拡張性が高い超伝導磁束量子ビットという2つの異なる系をハイブリッド化した量子メモリの実現に成功。この成果を活かし、ハイブリッド系を用いたダイヤモンド中の電子スピンの長寿命化に向けて研究に取り組んできた。

今回、NTT物性科学基礎研究所、NIIの根本香絵教授、大阪大学大学院基礎工学研究科の水落憲和准教授、NICTの仙場浩一上席研究員らによる研究チームでは、100マイクロ秒程度の寿命を持つダイヤモンド中の電子スピンと短寿命(10マイクロ秒程度)な超伝導磁束量子ビットを結合させるハイブリッド化により、電子スピンの寿命が約10倍となる950マイクロ秒にまで長くなるという現象を理論的に見出した。

これは、ダイヤモンド中の電子スピンを用いた量子センサの感度が一桁近く向上することを意味しており、高い効率で物質のイメージングが可能になると期待される。また、ダイヤモンド中の電子スピンはマイクロ波の印加といった外部からの要因を用いることで長寿命化を行っていたが、同成果は、ダイヤモンド中の電子スピンを超伝導磁束量子ビットに置くだけで寿命を約10倍に長くできるという、超高感度量子センサ実現に向けたまったく新しいアプローチとなる。

同研究成果によって電子スピンの寿命が改善することで十分な計測時間の確保が可能になるため、計測感度の向上が期待される。さらに将来的に、超伝導磁束量子ビットと複数のダイヤモンド中電子スピンの間に量子絡み合いを生成することができれば、従来の精度を凌駕する量子絡み合いセンサを実現できる可能性がある。この量子絡み合いセンサが実現すれば、人や動物の脳の活動情報を高い精度で読み取って病変を特定したり、数十ナノメートル程度の極小物質の3次元構造を明らかにするなど医療分野・材料工学分野に貢献すると考えられる。