量子情報物理と光物性－光子で操る電子と核子の量子もつれ
小坂英男 AA 横浜国立大学 大学院工学研究院 物理情報工学専攻

Quantum information and optical physics- A photon steers entanglement between an electron and a nucleon Hideo KosakaA
A Department of Physics, Faculty of Engineering, Yokohama National University

Abstract
We introduce our experiment on quantum teleportation based quantum state transfer froma photon to a nuclear spin in diamond. We utilize quantum entanglement between an electron
and a nucleon in diamond to transfer the polarization state of a photon into the spin state ofnucleon to store the quantum state based on the quantum teleportation scheme. The quantum
state transfer is triggered or heralded by the absorption of a photon and the stored quantum
state in a nucleon, which is not directly interacted with a photon, is maintained as long as morethan 10 seconds. It will open a way toward building a long distance quantum communication
network, where unconditional security is ensures by the physical principle.

はじめに

１．背景

本講演では、ダイヤモンドにおける光子、電子、量子情報通信（以下量子通信と呼ぶ）は、基本核子の量子もつれを利用し、量子通信に用いる的な物理法則である量子力学の性質を利用し、光子を量子メモリーとなるダイヤモンド中に量盗聴者の計算能力や技術レベルに依存しない強子テレポーテーションの原理で転写して長時間固な安全性を保証する暗号通信技術です。量子保存する量子テレポーテーション転写の実験にでできた暗号鍵を配信（QKD）することで、ネついて紹介します。核子と量子もつれ状態にあット上の個人情報を安心してやり取りできるよる電子に光子を吸収させるだけで、直接作用しうになります。既に光子が届く１００ｋｍ程度ない核子に光子の量子状態を転写し、10 秒以上の距離では東京 QKD ネットワークなど実用化

もの長時間保存可能なことを示す画期的な実験へ向けた運用試験が進められているものの、数です。本実験は、量子中継の基本原理である量子１００ｋｍ以上の都市間ネットワークを構築すテレポーテーションを極めて単純な原理で実現る決定的な方法が見つかっていませんでした。

し、光子の量子状態を直接は届かない遥か遠方

例えば、従来の方法で１０００ｋｍの量子通信に高速かつ確実に再生かつ長時間保存できるこを行おうとすると、３００億年（宇宙年齢の 2 倍）とを示唆するもので、物理法則で絶対的な安全に１ビットの暗号鍵しか生成できません。この性が保証された量子通信網の飛躍的長距離化・理由は、光子が光ファイバー中で伝送できる距高信頼化に道を開くものと期待されます。

離がおよそ１００ｋｍに制約されているためです。この制約を克服するためには、量子テレポー

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テーションと呼ぶ原理で光子が一度では届かない遠方に量子状態を再生する量子中継が不可欠です。量子中継では、一定の間隔で配置した量子ノード間に量子もつれを生成し、量子ノード内で量子もつれ測定を行います。従来の中継方式
では、直接光子が届く区間毎に量子通信を行い、これを接続する中継ノードではいわゆる古典的な中継を行うものでした。しかしながら、この方
図１ 量子通信の現状と本成果の意義。現状の量子通信は１００ｋｍ程度の短距離でしか絶対的安全性は確保できない。本成果により、距離を１０００ｋｍ以上に拡張しても物理法則で絶対安全性が確保された量子通信ネットワークを実用化できる。

式では各区間での絶対安全性は確保できるものの、中継ノードでの絶対安全性を保証することはできないという致命的な問題がありました。

２．量子テレポーテーション転写
我々の考案した手法は、上に述べた従来の古我々はマイクロ波やラジオ波でこの量子もつれ典的な中継手法とは全く異なる完全に量子的なを純粋化することから始めました。次にこの量中継方式です。中継ノードは量子メモリーとな子もつれを種とし、先の我々の論文[1]で実証しるダイヤモンド中の核子を持ち、光子の量子状た吸収による量子もつれ検出の応用で光子の量

態は電子を介して核子に量子テレポーテーショ子状態を核子に転写することに成功しました[2]。

ン転写されます。このような量子テレポーテーション転写を各区間で行い、古典測定ではなく量子測定を行うことで、盗聴者には絶対に情報漏えいのない量子中継が可能となります。中継のない量子通信を第一世代量子通信と呼びます（図１）。第二世代は２００ｋｍ程度と比較的短

図２ ダイヤモンド内の量子もつれを利用した量子テレポーテーション。あらかじめ電子と核子を量子もつれ状態とし、その後に吸収した光子が電子を特定の軌道に励起した際、光子の量子状態は瞬時に核子に転写される。

距離であるため一回だけの量子中継で十分であり、確率的量子中継という量子メモリーを必要としない中継方式で実現できます。これに対し、

３．動作原理と実験の詳細第三世代と呼ばれる１０００ｋｍ程度と長距離になると、決定論的量子中継という量子メモリ量子テレポーテーションの動作原理を図３ーが必要な方式が要求され、これまでは実現のに示します。あらかじめ量子１と量子２を量子目途が立っていませんでした。本成果で示したもつれ状態に準備しておきます。本成果ではこ量子テレポーテーション転写では、転写が決定れをマイクロ波やラジオ波の照射で実現してい論的に行われることから、この第三世代量子中ます。その後、量子３を量子１に衝突させます。

継の実現に一歩迫ったと言えます。

その際に、量子１と量子３が特定の量子もつれ状態にあることを検出した際に、量子３の量子量子テレポーテーション転写にはあらかじめ原子内に量子もつれを用意する必要があります。

状態が量子２に転写されます。

これには物質に内在する量子もつれを利用しま

次に実験の詳細を説明します。実験にはダイす。原子を構成する電子と核子のスピンは超微ヤモンド中の欠陥の一種である窒素空孔欠陥

細相互作用という量子もつれを導く力でつなが（ＮＶ中心）を用いました。その窒素核子はスピっています（図２）。

ンをもち、１０秒間以上量子状態を保持でき、8図３ 量子テレポーテーションの動作概略。あらかじめ量子１と量子２を量子もつれ状態とする。その後、量子３が量子１と衝突する。量子１と量子３の量子もつれ検出が成功した瞬間に量子３の量子状態が量子２に転写される。

図５ 量子テレポーテーション転写の実験データ。入射する光子の偏光位相を変えることで転写の忠実度を調べたものである。９０％以上の忠実度を実証した。

４．量子テレポーテーション中継システム
第三世代量子中継に不可欠な量子メモリーとし我々の提案する量子テレポーテーションによて最適です。量子テレポーテーション転写の量

る量子中継システムの動作原理を図６に示しま子回路は、図４に示すように①電子と核子の初す。まずは①ダイヤモンド内で局所的な電子と期化、②電子と核子の量子もつれ生成、③光子と核子の量子もつれを生成します。次に②隣接す電子の量子もつれ検出の３つの回路ブロックにる量子中継ノードのダイヤモンド NV からの発分けることができます。一見不必要に見える電光による電子と光子の量子もつれ生成と③吸収子を介して光子から核子に量子状態を転写するによる光子と電子の量子もつれ検出を行うことことで、従来は確率的であった転写が決定論的で、隣接ノード間に電子と核子の量子もつれをとなります。これが決定論的中継を必要とする形成します。最後に④ダイヤモンド内で局所的第三世代量子中継の要素技術となります。

な電子と核子の量子もつれ測定を行うことで送信者側から受信者側に渡る長距離量子もつれを形成します。

図４ 量子テレポーテーション転写の量子回路。量子回路は、①電子と核子の初期化、②電子と核子の量子もつれ生成、③光子と電子の量子もつれ検出の３つの回路ブロックに分けることができる。電子を介して光子の量子状態を核子に転写することで、従来確率的であった転写が決定論的となる。実験では④核スピン検出をすることで光子から核子への量子転写の忠実度評価を行っている。

図６理。

量子テレポーテーション中継システムの動作原

５．幾何学的量子ビット
本研究の基礎となる量子ビットは通常とは異なり、独自に考案した幾何学的量子ビットです。
物質中には光子・電子・核子など量子が、相互作

図５に示す実験データは、入射する光子の偏用しながら精密に動作する量子ナノシステムが光位相を変えることで転写の忠実度を調べたも自然に備わります。以下の 2 点の工夫でこれをのです。本実験により光子から核子への量子テ制御します（図６）。第一に物質に内在する対称レポーテーション転写の忠実度が９０％以上で性の破れの利用です。結晶場により分裂した準あることを実証しました。

位（図中の|0〉）を量子操作のための補助系とし、状態空間と操作空間を分離することで幾何学的量子ビットを構成します。また、光子、電子、核9子全てが|0〉に落ちた全真空状態を共通の初期継である確率的な量子中継方式から、決定的な状態として利用します。第二に物質に内在する量子中継方式への転換を可能としました。情報量子もつれの力（相互作用と選択則）を引き出す

通信は盗聴だけでなく、さまざまなサイバー攻ための空間反転対称性の回復です。伝送を担う撃の危機にさらされており社会的問題になって光子が円偏光（スピン 1 の縮退した|±1〉二準位）いますが、国家的あるいは世界的な規模の量子を論理量子基底とするように、処理を担う電子通信ネットワークを構築できれば、物理法則にも記憶を担う核子もスピン 1 の縮退した|±1〉二よって安全性が保証された安心で健全な情報化準位を論理量子基底とするべく、磁場を排除し社会を継続的に発展させることができます。て空間反転対称性を上げます。これにより基底謝辞状態のエネルギーによる識別が不可能となり、本研究は情報通信研究機構（NICT）高度通信・決定論的な量子テレポーテーション転写が可能

放送研究開発委託研究、最先端研究開発支援プとなるだけでなく、幾何学スピンエコーによるログラム（FIRST）ならびに科学研究費補助金基

完全な時間反転操作が行え、量子メモリー時間盤研究 A(24244044)、基盤研究 S(16H06326)、を究極まで延ばせます[3]。

新学術領域研究(16H01052)、挑戦的萌芽研究(16K13818）及び光科学技術研究振興財団研究・幾何学的量子ビット（状態空間と操作空間を分離）
光子（スピン1）電子（スピン1）
|-1〉

|+1〉

|-1〉

状態空間

|+1〉

核子（スピン1）

助成の支援のもとに行われました。なお、NICT|+1〉

委託研究は清水薫主 NTT 物性科学基礎研究所|-1〉

幹研究員、William Munro 同主幹研究員、根本・量子テレポーテーション転写
全真空状態（確率的な転写を決定論的に）
操作空間|0〉
光波|0〉

|0〉

マイクロ波

ラジオ波

香絵 国立情報学研究所教授、水落憲和大阪大学教授、中村泰信東京大学教授との、基盤研究 S は・デジタルコヒーレント量子制御

寺地徳之物質・材料研究機構主幹研究員、水落憲（物質の不完全性をデジタル処理でアダプティブに補償）

図６ ダイヤモンドに自然に備わる量子ナノシステム。
伝送量子の光子偏光、処理量子の電子スピン、メモリー量子の核スピンの幾何学的量子構造。

５．展望

和京都大学教授、加藤宙光産業技術総合研究所主任研究員、松崎雄一郎 NTT 物性科学基礎研究所研究員、堀切智之横浜国立大学准教授との共同研究です。

量子テレポーテーションの準備として量子も参考文献

つれが必要ですが、これにはやはり物質に内在[1]する量子もつれが利用できます。原子を構成す

Hideo Kosaka, Naeko Niikura,“EntangledAbsorption of a Single Photon with a Single Spin

る電子と核子のスピンは超微細相互作用というin Diamond” Phys. Rev. Lett., 114, 053603 (2015).

量子もつれを導く力でつながっています。この[2]量子もつれを種とし、発光による量子もつれ生

Sen Yang, Ya Wang, Thai Hien Tran, S. Ali
Momenzadeh, M. Markham, D. J.Twitchen, Rainer

成と吸収による量子もつれ検出で量子テレポーStohr, Philipp Neumann, Hideo Kosaka, and Jorg

テーションを繰り返すことで、量子もつれの距

Wrachtrup, “High ﬁdelity transfer and storage of

離を延ばすことができます。これにより、物質本

photon states in a single nuclear spin ", Nature

来の量子もつれを起源とした量子通信ネットワ

Photonics, 10, 507-511 (2016).

ークの実現を目指して今後研究を進めます。
[3]

６．まとめ

Yuhei Sekiguchi, Yusuke Komura, Shota Mishima,
Touta Tanaka, Naeko Niikura and Hideo Kosaka,

物質に内在する量子もつれを利用した量子テ“Geometric spin echo under zero field”, Nature

レポーテーションの原理により、従来の量子中Communications, 7, 11668 (2016).

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