横国大,ダイヤ中の量子メモリで量子誤りを訂正

横浜国立大学の研究グループは,ダイヤモンド中の窒素および複数の炭素同位体からなる量子メモリをゼロ磁場下で制御することで,量子誤り訂正に世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

ゲート型汎用量子コンピュータでは,エラー耐性を獲得するため,中規模計算用量子ビットを量子的な光で接続し,分散的に処理する誤り耐性型量子コンピュータの開発が望まれている。

分散処理を実現するには,超伝導量子など計算用の量子ビットと通信用の光量子ビットを量子的に変換する量子インターフェースが必要。量子インターフェースには量子メモリを内蔵し,変換の際に生じる誤りを訂正する量子誤り訂正の機能が不可欠となる。

ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心は,量子インターフェースを担う物理系として優れた性質を持つが,従来の手法では,NV中心のスピンを制御するために強い磁場を印加せざるを得ず,強い磁場で超伝導状態が破壊され正常な動作ができなくなる超伝導量子ビットと光量子ビットとの量子変換を,NV中心で行うことは不可能だった。

研究グループは,ダイヤモンド中のNV中心を構成する窒素原子とその周囲にある複数の炭素同位体原子の核スピン集団を,量子情報を長時間保持するための論理的な量子メモリとして用い,操作エラーによって破壊された量子状態を自動的に訂正できることを実証した。ゼロ磁場下でスピン集団を用いた量子誤り訂正は世界初だとする。

今回,独自に開発した電子スピンのゼロ磁場下におけるホロノミック量子ゲート操作が成功の鍵となったという。量子誤り訂正とは,保存したい量子状態を多数の量子メモリに分散的に保持することにより,どれか1つの量子メモリに何らかの理由でエラーが生じても,残りの量子メモリ群の持つ復元力により自動的に誤り訂正されるもの。

この復元力は,多数の量子メモリが量子もつれ状態にあることで発現し,量子もつれ測定の結果に応じて自動的に復元される。ゼロ磁場下では,量子メモリを構成する核スピン各々が磁場によってばらばらに回転することがなく,量子もつれ状態を長く安定に維持することができる。

通常は磁場を印加しなければ電子スピンや核スピンを操作することは不可能だが,研究グループの開発したホロノミック量子ゲート操作では,マイクロ波あるいはラジオ波の偏波自由度を自在に操ることで,ゼロ磁場下で電子スピンや核スピンを操作し量子誤り訂正を可能としたという。

研究グループは今後,この量子メモリを応用し,超伝導量子ビットから光量子ビットに量子変換する量子インターフェースの開発を行なうとしている。

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