慶應大伊藤教授、世界初シリコン半導体中で量子コンピュータに不可欠なエンタングルメントに成功

Tokyo, Jan 20, 2011 - (JCN Newswire) - 慶應義塾大学理工学部の伊藤公平教授は、英国オックスフォード大学John Morton博士らと共同でシリコン半導体に基づく量子コンピュータを開発しています。その研究の一環として、シリコンに添加されたリン不純物の電子スピンと原子核スピンの間で量子エンタングルメント状態を生成し、検出することに成功しました。すべてのコンピュータで半導体として使用されるシリコン半導体中で量子計算に不可欠なエンタングルメントの生成・検出に成功したのは世界初であり、この成功は、量子コンピュータの実現に向けて、大きなブレークスルーとなる快挙です。


本研究成果は、Nature誌(オンライン版)にロンドン時間2011年1月19日午後6時(日本時間1月20日午前3時)注1に掲載されます。また、本研究成果の動画(6分)を伊藤公平研究室のウェブサイト( リンク )で配信いたします。


注1：本成果は英国科学雑誌「Nature」( リンク )に発表されます。


1. 研究の背景(古典コンピュータと量子コンピュータの違い)
現在のコンピュータ(以下、古典コンピュータ)と全く異なる原理で動く量子コンピュータは、古典コンピュータの不可能を可能にすることができます。その不可能を可能とする源が、量子重ね合わせ状態とエンタングルメント(量子もつれ)です。古典コンピュータは、2進数の0または1のどちらかの状態しか利用しません。一方、量子コンピュータの最小単位である量子ビットは、古典力学ではなく量子力学の法則に従うもの、すなわち、原子、電子、光子といった個々の量子からできており、0も1も同時に表すことができます。これが重ね合わせ状態です。さらに量子コンピュータで必要となるのが、2個以上の量子ビットのエンタングルメントです。個々の量子ビットを分離して2進数の0や1として扱えない、時空を超えた絡み合いが量子ビットのエンタングル状態です。


2. 研究の成果
このエンタングルメントを半導体の王様であるシリコンの中で実現して検出に成功したのが今回の慶應義塾大学とオックスフォード大学の共同研究です。産業界ではシリコンにリン不純物を添加してn型を作製していますが、そのシリコン中のリン原子を絶対温度20K以下の低温におくと、電子を1つ捉えて水素原子のように振る舞います。この性質を利用し、リン原子核のスピンを1つの量子ビット、そこに捉えられている電子のスピンをもう1つの量子ビットとして扱い、この2つの量子ビットの間でのエンタングルメントを生成・検出することができました。それも試料中に存在する1010個という大量のリン不純物の個々において一気にエンタングルメントを生成できるという大きな成功でした。ここでエンタングルメントを生成し検出するプロセスそのものが、量子コンピューティングに相当します。


このような実験がこれまで報告されていなかった最大の理由は、シリコン中の量子ビットの量子情報保持時間(コヒーレンス)が短すぎたことです。通常のシリコンではリン不純物の量子情報がエンタングルメントを生成して検出されるまでに失われてしまいました。この課題に対し、慶應義塾大学では、シリコンを構成する原子をすべて28Si安定同位体に揃えることによって量子情報保持時間を充分に長くすること、さらにオックスフォード大学が有する絶対温度3K以下で磁場3.4テスラを動作できる特別な磁気共鳴装置を用い、リン電子スピンと原子核スピンの高い分極(一方向に揃えること)を得ることの双方に成功し、このことが、本研究の成果を導きました。


3. 量子コンピュータに実現に向けたブレークスルー
最先端の量子コンピュータとは何か？と問われると、いつも例に挙がるのが15=3×5の素因数分解に成功した7量子ビットの分子核磁気共鳴(NMR)の成果です 『L. Vanersypen, et al., Nature Vol. 414, 883 (2001)』。しかし、NMRでは分子中の7つの量子ビットを一方向に揃えたかのように見せかけるために古典コンピュータと同じ数の計算ステップを費やし、エンタングルメントも得られていませんでした。すなわち素因数分解という量子アルゴリズムを古典コンピューティングでシミュレーションした成果にすぎません。これに対し、本研究が、低温o高磁場に加えて量子計算上の工夫を施すことにより、わずかな計算ステップで量子ビットの初期化を得て、エンタングルメントの生成と検出に成功できたこと、半導体の王様であるシリコンに添加された大量のリン原子においてエンタングルメント状態が達成できたことは、固体量子計算の実現に向けた大きなブレークスルーと言えます。


本研究は、科学技術振興機構(JST)・戦略的国際科学技術協力推進事業「日本－英国(EPSRC)研究交流」における研究交流課題「同位体制御されたシリコン中のドナー不純物を中心とした量子スピントロニクス」(日本側研究代表者：伊藤公平教授、英国側研究代表者：John Morton博士)の一環として行われました。


【用語解説】エンタングルメントとは
2つの量子が東京とロンドンのように空間的に離れた場合を例にエンタングルメントを説明します。東京でもロンドンでも量子ビットの数値は0でもあり1でもある重ね合わせ状態を作っています。測る前から0か1には決まっているが測るまでは知らないというのでは古典状態であり、量子状態ではありません。量子状態は測る前では0でもあり1でもあるのですが、測った瞬間に0か1の古典状態に変化します。測定により量子ビットが古典ビットになってしまうのです！ここで東京の量子ビットを測定して0が得られた場合はロンドンの量子ビットは必ず1、東京が1ならロンドンが必ず0という相関がある場合を、2つの量子ビットは分離できないエンタングルメント状態にあると言います。東京とロンドンのそれぞれが0でもあり1でもあるのに、東京を測定して1の古典状態になった瞬間に、ロンドンが0の古典状態に決まるのです。この時空を超えた相関こそが古典力学では説明できない量子力学の不可思議の代表です。


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