NTTなど、長寿命の隠れた量子状態である"ダーク状態"のメカニズムを解明

NTTと国立情報学研究所(NII)、大阪大学は4月8日、超伝導磁束量子ビットとダイヤモンド量子メモリを組み合わせたハイブリッド系において、長い寿命を持つ隠れた量子状態である"ダーク状態"が発現するメカニズムを明らかにしたと発表した。

詳細は、英国科学誌「Nature Communications」に掲載された。

量子ビットとは、量子コンピュータを構成する基本要素である。どのような系を用いて量子ビットを構成し、量子的な情報をどのように保持し、量子演算をいかに実行していくかについて、様々な方式が提唱されている。中でも、制御が可能で、長寿命な量子ビットを実現するために、2つの異なる系をハイブリッド化する研究が盛んに行われている。

研究チームでは、2011年に、高い制御性を持つため量子プロセッサとして使用可能な超伝導磁束量子ビットと、潜在的には長い寿命を持つと期待されるダイヤモンド量子メモリを組み合わせたハイブリッド系を実現した。しかし、ハイブリッド系にした際に、ダイヤモンド量子メモリの寿命が十分に延びておらず、その長寿命化が課題だった。原理的には、ダイヤモンド中の電子スピン密度を減らすことで寿命を延ばせることが知られている。しかし、この方法を用いると、超伝導磁束量子ビットとダイヤモンドの間の結合が弱くなりハイブリッド化が難しくなるという問題があった。

また、ハイブリッド系にすることにより、超伝導磁束量子ビットやダイヤモンド量子メモリ単体では観測されていなかった長寿命状態が観測されることが知られていた。しかし、この長寿命状態が発現するメカニズムが不明のため、量子メモリとして活用できなかった。この状態を活用できれば、超伝導磁束量子ビットとダイヤモンド間の結合を弱めることなく、長寿命の量子メモリが実現できる可能性があるため、その起源の解明が求められていた。

今回、超伝導磁束量子ビットとダイヤモンド量子メモリを結合したハイブリッド系で、量子メモリ実現のために重要となる長寿命の"ダーク状態"を発現するメカニズムを解明した。ダーク状態とは、量子力学的干渉性のためにその系から発する信号が打ち消されてしまい、実験的に検出のできない隠れた状態を意味する。このようなダーク状態は、一般に長寿命であることが知られているものの、実験的に検出ができないため、量子情報への活用は難しいと考えられていた。

これに対し、研究チームは、超伝導磁束量子ビット・ダイヤモンド量子メモリのハイブリッド系では、結晶の歪みや磁場ノイズのために干渉が完全には働かず、ダーク状態由来の信号が検出可能であることを理論的に示した。そして、実際にその信号を実験的に補足し、量子状態の寿命が、従来のハイブリッド系の量子メモリでは20nsだったものが、ダーク状態では150nsまで長くなることを示した。ダーク状態が利用できるようになれば、量子メモリの長寿命化が期待できる。制御性の良い量子プロセッサの超伝導磁束量子ビットと合わせて用いることで、量子コンピュータの必要なリソースを削減できるのに加え、現在のコンピュータと桁違いの速さで計算が実行できるようになる展望が開けるとコメントしている。