京大ら,量子コンピューターを実現する粒子を解明

京都大学,東京大学,東京工業大学,横浜国立大学,独ケルン大学は,2次元的な平面構造をもつある種の磁性体において現れる「非可換エニオン」と呼ばれる粒子(正確には準粒子)の性質を解明した(ニュースリリース)。

我々の住む3次元世界では,2つの同種の粒子を2回入れ替えると必ず元の状態に戻ってしまう。これに対し基本粒子である非可換エニオン粒子は,2回入れ替えても元には戻らない(非可換)という奇妙な性質をもち,トポロジカル量子コンピューターと呼ばれる環境ノイズに強い量子コンピューターの動作を可能にする。

今回研究グループが注目した物質はα-RuCl3(塩化ルテニウム)と呼ばれる蜂の巣状の平面構造をもつ磁性絶縁体で,非可換エニオン粒子が存在することを示唆する「半整数熱量子ホール効果」が観測されていた。

非可換エニオンは,自身が反粒子と同一であるマヨラナ粒子で構成され,熱ホール効果の符号は,マヨラナ粒子の動きが右ひねりと左ひねりのメビウスの輪のどちらに対応するか,というようなトポロジーによって決まる。非可換エニオンの存在を決定的にするためにはそのトポロジーの詳細を明らかにする必要があるという。

研究グループは,半整数熱量子ホール効果の符号が磁場の方向により逆転する現象を発見し,半整数熱量子ホール効果が現れる磁場方向を特定することで,非可換エニオン粒子のトポロジーを決定することに成功した。

研究により明らかとなった非可換エニオン粒子のトポロジーは理論模型と良い一致を示し,非可換エニオン粒子が物質中に安定して存在することが明らかになった。このことは,トポロジカル量子コンピューターを実現するうえでα-RuCl3が有力な候補物質であることを示しすという。

この研究により,マヨラナ粒子や非可換エニオン粒子のもつトポロジーがはじめて実験的に示された。研究グループは今後,トポロジカル量子計算が現実に可能であるかの実証にむけて,これらの粒子を直接検出し操作する方法の開発を目指すとしている。

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