東北大など、トポロジカル量子計算の鍵「量子スピン液体」を電気的に測定

同成果は、東北大 材料科学高等研究所(AIMR)の井土宏助教(現・東大大学院 理学系研究科 特任准教授)、東北大 金属材料研究所(IMR)のong P. Chen教授(AIMR兼務)、IMRの木俣基准教授(現・日本原子力研究開発機構 研究副主幹)らの共同研究チームによるもの。詳細は、米・cell pressの刊行する、物理学を扱う学術誌「Newton」に掲載された。

現在、小規模な量子コンピュータは実現しているが、最大の課題はノイズに弱い点だ。実用性のある大規模な量子コンピュータの社会実装には、計算過程で生じるエラーを自律的に修正する「誤り耐性」が欠かせない。その有力候補として注目されているのが、物質の幾何学的な性質(トポロジー)を利用して計算を行う「トポロジカル量子コンピュータ」だ。

トポロジカル量子コンピュータは、従来方式のように個々のスピンの向きで情報を保持するのではなく、トポロジーによって保護された「集団が作るパターン」を情報の単位とするのが特徴だ。これにより、ノイズによって一部のスピンが乱れたとしても、全体のパターン(情報)は壊れなくなる。結果として、極めて計算ミスをしない量子コンピュータが実現できると期待されているのだ。

その鍵として注目されるのが、量子スピン液体である。通常、物質は極低温まで冷却されると、電子のスピンの向きが上下どちらかに整列して「凍結した」固体のようになる。しかし量子スピン液体は、絶対零度近くまで冷却してもスピンが整列せず、バラバラのまま液体のように動き続けるという不思議な性質を持つ。しかも、個々のスピンが独立して動くのではなく、互いに複雑な量子もつれ(エンタングル)により強く結びついた状態が保たれ、集団で1つのパターンを作り出すのが特徴だ。

中でも「キタエフ量子スピン液体」は、結晶内でスピンが隣の電子との相対的な方向によって異なる相互作用をすることで生まれる。この状態では、外部からのノイズに強く、安定して情報を扱える可能性があるため、トポロジカル量子コンピュータを実現する基盤になるものとして大いに注目されている。

しかし、このような物質は一般に電気を流さない絶縁体であるため、電子を動かして調べたり操作したりすることが難しい。そのため、実際のデバイスや電子技術に応用するには、依然として大きな課題が残されていた。そこで研究チームは、キタエフ量子スピン液体の有力な候補物質であるα-RuCl₃を詳細に調査したという。

今回の研究では、α-RuCl₃内で生じている磁気的な状態(スピンの振る舞い)を、隣接した金属を通して電気的に読み取れるかが調べられた。具体的には、スピンの動きを電気信号として検出できる白金を使い、電気抵抗の変化が詳細に測定された。その結果、金属中を流れるスピンの流れと、絶縁体側にあるスピンとの相互作用によって、特徴的な電気信号が現れることが明らかにされたのである。

さらに詳しく調べたところ、この電気信号パターンから、スピンの向きには特定の方向を好む性質(異方性)があることがわかった。しかもこの性質は、スピンが静止している場合だけでなく、揺らいでいる場合でも共通して現れることも判明した。また、温度による変化も調べられたところ、このスピンの性質に関わるエネルギーの大きさは、これまでに報告されている量子スピン液体特有の現象と同程度であることも確認されたとした。

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  (上段)スピン素子の模式図。(下段左)格子上の異方的相互作用によるスピン液体の模式図。(下段中央)電気的な振動信号のイメージ。(下段右)交差方向のスピン異方性が幅広く観測された。(出所:東大Webサイト)

今回の研究により、電気の流れの変化を手がかりにすることで、これまで電気では調べにくかった絶縁性のある量子物質中のスピン状態を読み取れることが実証された。これは、将来の新たな電子技術や量子技術に向けて、このような特別な磁気状態を電気的に調べるだけでなく、コントロールするための新しい方法を開発することにつながる重要な成果といえる。さらに、電気信号ベースの手法であるため、デバイスの集積化への第一歩になるものとしている。