横国大,炭素による量子メモリーの転写に成功

横浜国立大学は,ダイヤモンド中の炭素同位体を量子メモリーとして用い,量子テレポーテーションの原理を応用して,光子の量子状態を維持したまま情報漏えいによる盗聴の可能性なく,量子メモリーに転写することに世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

量子ネットワークを実現する量子中継器には,長距離伝送に適した光子から長時間保存に適した量子メモリーへの量子転写の技術が不可欠。さらに,安全な量子中継器の実現には,保存した量子状態を破壊あるいは情報漏えいすることなく転写に成功したことを通知する伝令機能が必要で,これを量子テレポーテーションが可能とする。

研究グループは,NV中心の空孔に局在する電子を媒介として,量子テレポーテーションの原理で光子の量子状態を炭素同位体(以下炭素)の核子に転写し,保存した量子状態を破壊あるいは情報漏えいすることなく転写に成功したことだけを通知する伝令信号付きで安全な量子テレポーテーション転写の方法を考案し,実験実証に成功した。

この成果の特徴は,ゼロ磁場かつ低温(5K)の環境下で,光子が伝送した量子状態を量子メモリーに安全に転写したことと,その量子メモリーとして炭素を採用したことにある。これまで炭素はNV中心にとってノイズ源で,磁場を印加しないと制御できないと思われていた。

今回,扱わなくなった窒素を偏極させ電子にとっての微小磁石とし,炭素にとってはゼロ磁場のまま電子にだけ磁場を印加しマイクロ波で操作しやすくするという工夫をした。これにより,電子を介して炭素を操作しつつも転写後の炭素の量子状態を安定に維持することが可能となり,光子から炭素への量子テレポーテーション転写に成功した。

ダイヤモンド中の窒素空孔中心(NV中心)の電子と近傍の炭素同位体の核子を量子もつれ状態にし,光子の吸収による核子への伝令信号付き量子テレポーテーション転写を実現した。これにより多数の量子メモリーに光子の量子状態を個別に転写および一時保存でき,量子中継の処理能力を格段に向上できる。

今回,量子中継における量子状態の遠方への転送だけでなく,量子状態の保存にも量子テレポーテーション原理が有効であることが示された。また,同位体濃度制御で量子メモリーを大容量化できる上に,炭素核子は光による書き込み・読み出しに対して安定なため,量子中継処理の高速化,高信頼化に有効となる。

この成果は,量子インターネットにより,量子コンピューター,量子シミュレーター,量子センサーなどの量子接続を可能とし,超高速かつ秘匿性を保つ量子計算や高精度な量子計測などへの道を拓くものだとしている。

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