筑波大学は1月30日、ドイツの研究機関と共同で、室温での固体量子ビットの量子エラー訂正に成功したと発表した。

同成果は、同大の磯谷順一名誉教授(同大 知的コミュニティ基盤研究センター 前主幹研究員)、日本原子力研究開発機構(JAEA) 量子ビーム応用研究部門 半導体耐放射線性研究グループの大島武リーダーらによるもの。詳細は、「Nature」に掲載された。

通常のデジタル情報の処理、記録、通信においてもエラー訂正は不可欠だが、量子情報は外部からのノイズ、攪乱に対して極めて脆弱である。このため、ノイズによって計算が途中で台無しにされないための量子エラー訂正なしには、量子コンピューティングの多量子ビット化は実現しないと考えられている。ただし、量子情報のエラー訂正には、2つの難しい課題がある。1つは、通常のビットは1か0どちらかの状態しかとらないのに対し、量子ビットは|0>と|1>という2つの任意の重ね合わせ状態、つまり(α|0>＋β|1>、|α|2＋|β|2=1)をとることができ、α、βのとり得る値の組み合わせは無限となり得ること。もう1つは、情報を複製するために量子ビットを測定すると、|0>か|1>のどちらかの状態になってしまうため、コピーすることができないことである。

量子計算をエラーから守るアルゴリズムが存在することは、P.W. Shor氏とA.Steane氏によって示されている。エンタングルメント(量子もつれ)という量子力学特有の現象を利用すると、守りたい量子ビットの中味を知ることなしに、エラーに関する情報のみを引き出し、訂正を施すことができる。しかし、量子エラー訂正アルゴリズムを実証した実験例は、これまでイオントラップや超伝導量子ビットなど、極低温を必要とするものや、多量子ビット化の拡張において限界のある核スピンの集団を用いるNMRに限られていた。このため、量子コンピュータを単なる原理実証から実用化の段階へ進めるには、大規模化が可能な系において、量子エラー訂正をしながら計算できることを示すことが必須であるという。

一方、単一欠陥検出と単一電子スピン検出、単一電子スピンの任意の重ね合わせ状態を作る操作、電子スピンと2個の核スピンの3量子ビットエンタングルメントなどが発表されて以来、NVセンターを用いた室温動作の量子コンピューティング開発への期待が高まってきている。最近では、量子コヒーレンスに基づいた超高感度と単一欠陥による超高空間分解能を併せ持つセンサへの応用も注目され、その研究が世界的に広がっている。

このような中、ダイヤモンド合成、欠陥制御などダイヤモンド材料科学において大きな蓄積のある日本チームと、量子操作において最先端に立つドイツチームが相補的に取り組むことで、量子コンピューティングのブレークスルーを目指したという。

現在、原子核がミクロな磁石としてふるまう核スピンはMRIとして医療診断に、またNMRとして有機分子や生体分子の構造決定に使われている。これらではシグナル検出に1012個を超える分子集団を必要とする。研究グループは、固体中の単一の核スピンを量子ビットに利用し、量子エラー訂正に必要な3量子ビットまで拡張することを目指した。核スピンを用いる量子ビットには、量子情報を保持する時間が長いという長所があるが、単一核スピンでは初期化や読み出しが難しい上に、計算を構成するステップとなるゲートの動作速度が遅いという短所がある。エラー訂正に手間取ってしまうと新たなエラーが入り込んでしまう。そこで、ミクロな磁石として強さにして3桁大きい電子スピンと組み合わせることにより、高速化を図った。その際に着目したのが、単一の電子スピンからなる量子ビットについて、室温での光による初期化や読み出しを実現している特異的な系であるダイヤモンド結晶中のNVセンターである。

ダイヤモンド中のNVセンターの構造とエネルギー準位。NVセンターは、炭素を置換した窒素と隣接する格子位置の原子空孔とのペアで電荷-1、電子スピンS-1を有する。有機色素並みに光を強く吸収し、赤色の蛍光を強く発光するので、励起レーザ光(緑色)の焦点を300nm径以下の小さなスポットに絞り、その位置からの蛍光のみを観測できる共焦点顕微鏡を用いると室温で単一欠陥を観測することができる。また、蛍光強度がスピン副準位(Ms=0、±1)に依存することを用いて、単一欠陥の単一電子スピンについてMs=0であるかMs=±1であるかを読み出すことが可能。光をあてることにより、室温でMs=0の状態にすることができる

ダイヤモンドの電子線照射・熱処理によりNVセンターを作製。写真は住友電工が合成した天然存在比の結晶

窒素は核スピンを持つが、炭素は天然存在比1.11%の同位体13Cのみが核スピンを有する。今回、NVセンターの単一の欠陥(単一の分子に相当)に関して、14N(天然存在比99.63%)に加え、13Cを2個持つものを作製し、これを、単一の核スピン3個と単一の電子スピン1個からなるサブナノスケールのハイブリッド量子レジスタとして用いた。NVセンターという特異的な系において電子スピンとの相互作用を用いると、核スピン量子ビットの初期化、読み出し、2量子ビットゲート操作を高速に実行できる。これにより、量子情報を保持する時間が長いこと、および動作速度が速いことの両立を室温で実現した。

量子コンピューティングの超並列計算能力は、エンタングルメントの"複数の量子ビットの状態が強い相関関係をもって分離できない状態"に基づいている。研究グループは、ハイブリッド量子レジスタの3個の核スピンを用いて、高品質の3量子ビットエンタングルメントの生成に室温で成功した。さらに、ハイブリッド量子レジスタを用いて、量子コンピューティングに不可欠な量子エラー訂正アルゴリズムの実証にも成功した。

ダイヤモンド中のNVセンターを用いた量子情報保持時間の長い核スピンと高速な量子操作・光による読み出しが可能な電子スピンを組み合わせたハイブリッド量子レジスタ。電子スピンの初期化やスピンの読み出しには光を用いる。今回は、蛍光の捕集効率を高めるためにソリッドイマージョンレンズを用いた。核スピンの初期化には電子スピンとのSWAPゲートを用い、シングルショット読み出しで確認する。スピンの量子操作には、周波数を選ぶか、あるいは異なる周波数を組み合わせたマイクロ波パルス、ラジオ波パルスをダイヤモンド表面に作成したコプレナー導波路を用いて外から加える。ハイブリッド量子レジスタはサブナノスケールの大きさである。また、620mT以下の高磁場を用いた

長い量子情報保持時間をもつ核スピンと高速・正確な量子操作をする電子スピンを組み合わせたハイブリッド量子レジスタをユニットにした大規模化・量子情報ネットワーク化

このように、今回の成果のポイントは、集積化によって量子ビット数の大規模化が可能な、拡張性のある固体素子で量子エラー訂正を実現したこと、スピンを用いた量子ビットでの量子エラー訂正を実現したこと、室温での量子エラー訂正を実現したことの3つであるという。

今回、補助ビットを含めた3量子ビットのうち1ビットのビットフリップまたは位相フリップという単純なエラー発生に有効な3量子ビットコードプロトコルを実証した。今後、5量子ビットコードへと拡張することが期待される。なお、今回のエラー訂正は、配列中のそれぞれのNVセンターに適用することができる他、長い量子情報保持時間の量子ビットを持ち、正確な量子操作をするハイブリッド量子レジスタをユニットとして光子を用いて結合する量子情報ネットワークへと発展させることが可能であるとコメントしている。

また、日独共同研究の別の成果として、イオン注入によるNVセンター作成において、コヒーレンス時間(量子情報を保持する時間)を長くすることと収率を上げることの両方を達成し、3個の電子スピンからなる3量子ビット量子レジスタを作製した。この量子レジスタでは、量子ビット間の相互作用の強さ(ゲート操作の速さ)とコヒーレンス時間の積という性能指数において、極低温のイオントラップと同等の値を室温で達成した。マスクを用いたイオン注入により、NVセンターの配列を作製する多量子ビット化実現への道を開いたと考えられるとしている。