横国大,単一電子スピン制御の高効率・高精度化に成功

横浜国立大学の研究グループは,ダイヤモンド中の窒素空孔中心(NV中心)に存在する単一電子スピンを位相変調されたレーザー光を用いて,高効率かつ高精度な操作を実証することに,世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

量子情報処理を実現させる量子系として,ダイヤモンドに内在する電子スピンが近年注目されている。ダイヤモンド中の電子スピンは情報の保持と集積化の観点で優れていることが知られており,ダイヤモンドに集積配列された電子スピンを量子制御するためには,スピン一つ一つを個別に,自在に,正確に制御する技術が求められる。

今回研究グループは,ダイヤモンド中の窒素空孔中心(NV中心)に捕獲された単一電子スピンをレーザー光を用いて,高効率かつ高精度な操作の実証に成功した。これまでは,電子スピンとレーザー光の間にエネルギー差をつけて,電子スピンの任意操作を行なっていた。しかし,この方法では電子スピンの制御に用いる光パルスが矩形波に制限されてしまうという問題があった。

研究ではエネルギー差の代わりに光の位相自由度を利用する事でこの問題を解決し,実験で実証した。今後,任意波形整形された光パルスを用いれば,集積化されたマルチスピン系の複雑なダイナミクスまでも考慮した,高精度なスピン制御の実現が期待されるという。

本来,レーザー光により生じる電場は,磁気的な性質を持つ電子スピンとは直接相互作用しないが,電気的な性質を持つ電子軌道とは相互作用するため,スピン・軌道相互作用を利用して電子スピンを間接的に制御する必要がある。

また,研究グループが用いた量子ビットは基底間にエネルギー差を持たない縮退量子ビットであるため,補助的なエネルギー準位を利用したホロノミックな量子制御を行なった。これにより,操作エラーやノイズに耐性のある量子制御が可能となった。

この成果によって,集積化された複数のスピン系がもたらす複雑なダイナミクスまでも考慮した,高精度な光スピン制御が実現する可能性が示された。研究グループでは今後,これらの技術を利用し,量子もつれ生成や測定、量子テレポーテーションといった発展的な量子情報技術の実証へ応用を進めていくとしている。

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