長距離量子通信に向けたダイヤモンド量子中継機能素子の開発

本研究では、ダイヤモンド中の窒素空孔中心（NV中心）の周囲にある多数の同位体炭素（13C天然存在比1%）の核スピンを量子メモリーとし、伝送光子との媒介としてNV中心の電子の縮退部分系を量子ビットとして量子制御に用いて、量子中継機能素子を開発することを目的として研究を行った。課題は大きく次の3つの要素に分けた。1.量子テレポーテーション原理による光子から核スピンへの伝令付き量子メディア変換の達成、2.独自の幾何学スピンエコーを応用した核スピンからなる集積量子メモリーの選択的操作の実現、3.集積メモリーに伝送、保存された状態の決定論的な量子もつれ検出である。平成30年度は、2.集積メモリーの実現に向け、2個の炭素核スピンと結合したNV中心を用いて伝送光子から核スピン量子メモリーの量子メディア変換の実証に成功し、6個以上の炭素核スピンを選択的に制御する手法を新たに考案してシミュレーションでその実用性を示すことに成功した。また、令和元年度に実施予定であった3.量子もつれ検出に向け、NV中心に付随する窒素核スピンのシングルショット測定を実証し、量子もつれ検出の実現可能性を示した。一方で、当初の計画になかった光子とNV中心に付随する電子の量子もつれ状態生成に成功した。集積量子メモリー、量子もつれ状態生成の成果は、長距離通信に向けた量子中継器の基盤技術となる。量子メディア変換やもつれ状態生成は伝送光子と量子メモリーをつなぐための中核技術となり、集積量子メモリーは、複数ノード間のもつれ状態を保持することで量子通信路を多様化するだけでなく、ノード間の量子もつれ生成時においてバッファとして機能することで量子通信の高速化に寄与する。

本研究では、ダイヤモンド中の窒素空孔中心（NV中心）の周囲にある多数の同位体炭素（13C天然存在比1%）の核スピンを量子メモリーとし、伝送光子との媒介としてNV中心の電子の縮退部分系を量子ビットとして量子制御に用いて、量子中継機能素子を開発することを目的として研究を行った。課題は大きく次の3つの要素に分けた。1.量子テレポーテーション原理による光子から核スピンへの伝令付き量子メディア変換の達成、2.独自の幾何学スピンエコーを応用した核スピンからなる集積量子メモリーの選択的操作の実現、3.集積メモリーに伝送、保存された状態の決定論的な量子もつれ検出である。平成30年度は、2.集積メモリーの実現に向け、2個の炭素核スピンと結合したNV中心を用いて伝送光子から核スピン量子メモリーの量子メディア変換の実証に成功し、6個以上の炭素核スピンを選択的に制御する手法を新たに考案してシミュレーションでその実用性を示すことに成功した。また、令和元年度に実施予定であった3.量子もつれ検出に向け、NV中心に付随する窒素核スピンのシングルショット測定を実証し、量子もつれ検出の実現可能性を示した。一方で、当初の計画になかった光子とNV中心に付随する電子の量子もつれ状態生成に成功した。集積量子メモリー、量子もつれ状態生成の成果は、長距離通信に向けた量子中継器の基盤技術となる。量子メディア変換やもつれ状態生成は伝送光子と量子メモリーをつなぐための中核技術となり、集積量子メモリーは、複数ノード間のもつれ状態を保持することで量子通信路を多様化するだけでなく、ノード間の量子もつれ生成時においてバッファとして機能することで量子通信の高速化に寄与する。