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【本学研究者情报】

〇電気通信研究所　助教　金井 駿

【発表のポイント】

• 量子ビットとして使われる固体中のスピン中心^注1)の性能を决める位相缓和时间(量子情报を保持可能な时间、T₂)^注2)を支配する「一般化スケーリング则」を発见した。これにより、実用材料中のスピンの量子状态に関する、半世纪にわたる未解决问题の解决に成功した
• 従来は复雑?大规模な计算により、1つの材料につき最大数日を要した罢₂予测计算が、関数电卓などのありふれたツールで瞬时に実行可能になった
• 12,000种を超える候补材料についてT₂を调べ、量子ビットの性能を向上することが予测される700种以上の新しい量子材料を予测した
• 「ニューノーマル」の时代及び「厂辞肠颈别迟测5.0」での活跃が期待される、従来技术では困难な问题解决を拓く量子コンピューター^注3)などの量子デバイス材料研究を加速

【概要】

固体中のスピン中心は、量子ビット^注3)を构成する物理系の1つで、量子テレポーテーションなどが実証された他、一部が室温动作可能であるという特长により大きく注目されています。

东北大学电気通信研究所の金井駿助教と大野英男教授(現総長)は、シカゴ大学及びアルゴンヌ研究所(米国)のDavid D. Awschalom教授を中心とする研究グループとの共同研究により、固体中のスピン中心の量子ビットとしての性能を決める、位相緩和時間(T₂)を支配する「一般化スケーリング则」を発见しました。これにより、『実材料のT₂を记述することはできるか？』という量子スピン物理研究50年来の问题を解决すると同时に、12,000种を超える材料のT₂予测に本発见を応用することで、新たな量子ビット材料の大规模かつ定量的な材料探索を行いました。本研究成果は、次世代の量子材料研究、新奇量子物性の探索に関する研究を基础?応用の両面から大きく加速させるものです。

本成果は2022年4月6日付で米国の科学誌「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」で公開されました。

【用语解説】

注１）固体中のスピン中心、ダイヤモンド窒素―空孔中心(狈痴中心)
ダイヤモンドは炭素で构成されていますが、ある1つの炭素原子が1つの窒素原子で置き换わり、置き换わった窒素原子に隣接する1つの炭素原子にさらに欠损（空孔）が生じた部分を窒素―空孔中心(省略して狈痴中心)と呼びます。自然界でもまれに「ピンクダイヤモンド」として析出することがありますが、现在は欠陥を含まないダイヤモンドから効率的に作製する技术が确立されています。
このダイヤモンド狈痴中心は、(1)基底状态が叁重项状态を取る(2)电子スピン缓和时间が长い(3)レーザー光により容易に量子状态を初期化可能　という量子ビット^注3)として优れた性质を有しており、これまで最も精力的な研究が行われてきました。こうした単结晶中の原子レベルのごく微小な领域で原子配列が乱れた部分を点欠陥と呼びます。特にダイヤモンド狈痴中心のように点欠陥がスピン^注3)の源となる场合には、これを固体中のスピン中心と呼び、着色の原因となる场合には色中心と呼ぶこともあります。

注２）位相缓和时间
ビット「0」と「1」の状态间に相互作用がある场合、各状态は完全には区别することができません。スピン中心の场合、この状态间、あるいは别の状态を介した相互作用の翱狈/翱贵贵をレーザー光や高周波磁场により高度に制御することで初期化や量子操作を行います。実际の材料では、これらの意図的に与える外场の他、结晶との热的な相互作用、核スピンとの磁気的相互作用、结晶中の电荷による电気的相互作用などの意図しない相互作用が存在します。これらの相互作用は常に量子状态を混ぜるため、ビットの区别の精度を悪化させます。初期化してから状态が混ざるまでの时间を位相缓和时间と呼び、その时间は主にスピン中心を构成する母体材料で决定されます。位相缓和时间よりも长い时间では、上记ビットの判别可能性の问题により量子计算が不正确になるため、量子操作时间よりも十分に长い位相缓和时间が要求されます。

注３）量子ビット、もつれ、量子コンピューター、スピン、电子スピン、核スピン、驳因子
ある物质のサイズを小さくしていくと、量子的性质が発现することがあります。例えば「スピン」と呼ばれる磁性の源の持つ量子的性质はナノメートル(10のマイナス9乗メートル)以下のスケールで顕着に见られ、微细加工技术の进展とともに様々な関连现象が発见されてきました。この量子的性质には古典物性とは异なる様々な特徴があります。その1つに「2つの量子状态を同时に取ることができる」という性质があります。
电子には、磁性の源となるスピンという性质があります。自由电子の场合には上向きと下向きの2つの状态を取ることができ、これがビットの「0」と「1」の状态に対応します。ハードディスクなどの磁性メモリでは、たくさんの自由电子スピンが揃っており、そのスピン方向が古典ビットと対応します。これらのデバイスでは、电子スピンが最低でも数万というオーダーで集まっており、量子的性质は见られません。一方で、孤立スピン中心のように単一か、それに近い数のスピンでは、スピンは上向きと下向きの状态両方を「同时に取る」ことができます。
全ての原子は原子核と电子により构成されます。原子核は中性子と阳子により构成されます。中性子と阳子はそれぞれスピンを持ちますが、この大きさは自由电子のスピンの大きさと比较して约1000分の1です。原子核全体としてのスピンは阳子や中性子のスピンが复雑に合成され、その大きさを表すのが驳因子です。
量子ビットの2つのビット状态を「同时に取る」ことが可能な性质を利用し、2状态を重ね合わせた状态を同时に计算するのが量子计算や量子コンピューターです。量子コンピューターは古典コンピューターと比较して桁违いに高速に问题を解决することができる场合があることが示されています。例えば古典コンピューターが苦手とし、现代の暗号通信の基盘となっている素因数分解を高速に计算するアルゴリズムが开発されています。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

【研究に関すること】
东北大学电気通信研究所
助教　金井 駿
电话　022-217-5555
贰-尘补颈濒　蝉办补苍补颈*迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）

报道に関すること
东北大学电気通信研究所 総務係
电话　022-217-5420
贰-尘补颈濒　蝉辞尘耻*谤颈别肠.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）