Universal quantum media conversion in diamond quantum storage

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本研究では、NV遠方の深層炭素集団を量子ストレージとし、幾何学的デカップリングによる深層炭素の個別量子もつれ生成、単一光子から単一深層炭素への選択的な量子メディア変換、任意の深層炭素間の量子もつれ測定、量子符号化によるフォールトトレラント化、NVアンサンブルへの拡張による大規模量子ストレージ化を実現する。完全無磁場下で動作する量子ストレージは超伝導量子ビットとの整合性が高く、量子インターネットで接続された量子コンピュータネットワークによる分散型量子計算や秘匿量子計算などに道を拓く。本年度は以下の成果を得た。・単一光子から単一深層炭素への選択的な量子メディア変換電子と狙った深層炭素との量子もつれを生成し、独自の量子もつれ吸収手法を用いることで、量子テレポーテーションの原理による光子から狙った炭素への選択的な量子状態転写（光子炭素間量子メディア変換）を完全ゼロ磁場において行った。実験で得られた平均忠実度は90%であった。光子から炭素への転写の際、仲介する電子のスピン状態を窒素に転写してシングルショット測定（量子非破壊測定）することで、転写後の炭素の量子状態を破壊することなく転写成功を検知した。また、一方の光子の量子状態を破壊されにくい深層炭素に転写して保管し、深層炭素の量子状態を維持しながら他方の光子の量子状態を表層炭素へ転写できることも確認した。・任意の深層炭素間の量子もつれ測定量子インターフェースの最重要機能は炭素間の完全ベル測定である。完全ゼロ磁場において、表層炭素と深層炭素の２つの炭素間の量子もつれを量子非破壊測定することで、完全ベル測定することに世界で初めて成功した。実験で得られた平均忠実度は83%であった。今回は片方の炭素に表層炭素を用いたが、同手法は任意の深層炭素に適応できる。