研究紹介 丸文研究奨励賞 受賞者
ダイヤモンドを用いた量子情報素子の研究
水落 憲和
大阪大学 大学院基礎工学研究科
准教授

研究の背景

体においてはコヒーレンスの保持が難しい研究の成果ため、それまでは、極低温において超伝導

近年、情報技術が通信という新しい軸

受賞者は、国内ではいち早くダイヤモン

体素子を用い2量子ビットでの量子もつれを中心に置きつつある中、通信の安全性

ド中のNV中心（図1）に注目し、原子核ス状態（ベル状態）が生成されたとの報告し確保や環境負荷削減は社会にとって根ピンを持つ同位体炭素 13 C（ =1/2）や原かなかった。室温での2量子ビットでの量本的な課題である。量子暗号通信の実現

子核スピンをもたない12 C（ I =0）の特性を子もつれ状態（ベル状態）の生成は、固体と発展は、絶対に解読されない暗号通信用いることによって量子情報処理のための材料中の量子ビットを用いた系では本研I等、これらを解決する新たな通信手段とな重要な研究を行えるのではないかと着想し究成果が初めてである。また、GHZ、W状りえることが、近年原理的・学術的に示さた。NV中心では単一のものを光学検出で態と呼ばれる３量子ビット間の量子もつれれてきている【 1 】。単一光子といった微弱き（図2）、その単一のスピンを室温で操作・の生成にも成功、固体中で３量子ビットのな光を用いた絶対に解読されない暗号通検出できるが、これは他の材料では現在で壁を室温で破ったことは特筆すべき点で信が理論的に提案されたのは1984年だも不可能で、特筆すべき性質といえる。着【2】ある。

が、当時は単一光子を実際に扱うことは想に基づきStuttgart大学のWrachtrup教さらに、13Cの核スピンによる多量子ビッ夢物語であった。その後の進歩は著しく、授らのグループに対し、同位体炭素（13C、ト化により、NV中心で5量子ビットが実現

近年では数十kmレベルでの距離間での12 C）濃度を変えた試料を用いた研究を提可能であることを実証【3】（4つの異なる単量子暗号通信が実験的に実証されてき案し、共同研究を行った。試料は産業技術一核スピンの観測・同定と単一核スピンた。
しかし、普及のためには現実的な通信総合研究所グループに依頼して作製してコヒーレンスの制御の実証）、コヒーレンス速度への高速化と通信距離の更なる長【2, 3, 6】もらった。
はドイツの測定距離化が必須である。そのためには単一【4, 5】
装置で行い、は受賞者が光子レベルの光を効率的に生成できる単立ち上げた装置を用い、筑波一光子源や、送られてきた量子情報を中大学及び大阪大学で行った。

継する量子ノードが必須となる【 1 】。現在

【5】の超伝導素子による測定は開発されてきた単一光子源は、ヘリウム温NTT超伝導量子ビットグループ度でしか動作しない素子によるものであっが行った。一部は解説記事にた。また、現行の通信システムでは通信のて詳細が説明されている【7, 8】。

光強度を保つために中継増幅器が使わ受賞者は13 Cの量を増やしれているが、量子通信では原理的にこれた高品質ダイヤモンドを用いるを使用できない。この量子ノード素子は量ことにより、３つの最近接炭素子メモリーと量子信号処理回路から構成原子（ 図1 ）のうち、2つが 1 3 Cされる。量子メモリーではコヒーレンスを長であるような単一NV中心を初く保持することが要求され、量子信号処理めて観 測して同 定した【 3 】。こ回路では量子情報処理にとって中心的なの電 子スピンと2つの核スピ役割を果たす「量子もつれ状態」を生成、ンを用いた3量子ビット系単一制御することが要求される。受賞者らはダNV中心を使って、室温で量子イヤモンド中のNV中心（図1）を用いてこビット間での量 子もつれ状 態れらの基盤技術の発展に貢献した。の生成に成功した。一般に固図1 ダイヤモンド中のNV中心

Nは窒素原子でダイヤモンド格子中の炭素原子の置換位置に入っている。Vは炭素原子が抜けた空孔（V）である。
1-3でラベルされた炭素原子が空孔からの最近接炭素原子と呼ばれている。

研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者

緩和機構解明【3】、室温での電子スピンコ

図2 NV中心の共焦点レーザー蛍光顕微鏡像（室温）ヒーレンス時間（T 2 ）の長時間化【6】（固体素子中の電子スピンのコヒーレンス時間T 2としては桁違いに長い1ミリ秒以上という最長記録の実現。）にも成功、本領域を蛍光波長が635-750nm付近の発光を表示している。赤で示されている輝点が単一NV中心で, 強度の濃淡は励起レーザー光の焦点深さからの距離等に依る。
このように手に取るようにNV中心を一つ一つ手に取るように室温で観測できる。

更に発展させている。受賞者はNTT物性科学基礎研究所の超伝導グループとの共同研究で、超伝導素子における磁束量子ビットとNV中心のスピンの結合に成功した【4】。
また最近、電流注入による単一光子発生を実現したが【5】、既に大きな関心がもたれている。磁束量子ビットとの結合とは、磁束量子ビットの持つ高速演算の優れた点とNV中心のスピンの持つ量子メ

数年前に量子暗号通信は夢物語と考えら将来の展望れていたが、近年量子情報素子の研究がモリとしての優れた点（長いコヒーレンス時技術の進歩は目覚ましく、量子暗号通信活発になされ進歩も目覚ましく、我々も予期間）を組み合わせることを意味し、非常にについては、基本的なシステムが既に海外しないような技術進歩が近い将来になされ注目さている。
また、これまで電流注入によの数社のベンチャー企業から販売され、日るかもしれない。一研究者としてダイヤモン

る単一光子発生は半導体量子ドットにお本においても大手の電機メーカーが関心をドによる量子情報技術発展への貢献がでいて極低温でのみ実現されてきたが、最近持ち、基盤技術開発を行っている。将来のきればと考え、日々励んでいるところである。

受賞者は室温でダイヤモンド半導体を用展望としては、まずは近距離ではあっても極本研究は、産業技術研究所の山崎グいて実現した。
これは室温動作する効率の限的な通信安全性・精度を実現するハイエループ、シュトゥットガルト大学のWrachtrup

良い単一光子発生源へ道を開いたのみなンド技術として利用されてゆくと期待してい教授グループ、NTT物性基礎研究所仙場らず、これまで光によりスピン操作を行ってる。量子暗号通信における今後の課題としグループ等との共同研究に基づくものでいた動作を電気的動作に置き換えることもてまず挙げられるのは通信距離と速度であす。
また科学技術研究機構（さきがけ）に援可能にした。超伝導量子ビットでの成果とる。効率の良い単一光子発生素子や量子助をいただき日本での研究を立ち上げるこ

共にNV中心に「光、スピン、電荷間のイン中継器の実現が、それらの限界を打ち破るとができました。本受賞は関係者の皆様方ターフェースとしての機能」を持たせる新たものと受賞者らは考え、またそれらがダイヤのご支援の賜であり、ここに深く感謝いたしな基盤技術として重要と考えられる。

モンドで実現できないかと夢見ている。20ます。

References（参 考 文 献）79巻、p. 112-118、2010と引用文献．
【1】佐々木雅英、応用物理、【2】P. Neumann*, N. Mizuochi*, F. Rempp, P. Hemmer, H. Watanabe, S. Yamasaki, V.
Jacques, T. Gaebel, F. Jelezko, J. Wrachtrup. Science, 320, 1326 (2008).

補足説明
単一光子
光は粒子性を持っており、単一光子は光の粒子1個を意味する。
量子ビット
量子情報では、従来の情報の取扱量の最小単位であるビットの代わりに、情報を量子力学的2準位系の状態で表現する。通常のビットは0か1かのどちらかの状態しかとることができないが、量子ビットは、0と1だけでなく0と1の状態の量子力学的重ね合わせ状態もとることができる。本研究では電子と核が持つ量子力学的な自由度の一つであるスピンを量子ビットとして用いている。

【3】N. Mizuochi, P. Neumann, F. Rempp, J. Beck, V. Jacques, P. Siyushev, K. Nakamura,
D. Twitchen, H. Watanabe, S. Yamasaki, F. Jelezko, J. Wrachtrup, Physical Review B,
80, 041201(R) (2009). (Editors suggestion)【4】X. Zhu, S. Saito, A. Kemp, K. Kakuyanagi, S. Karimoto, H. Nakano, W. J. Munro, Y.
Tokura, M. S. Everitt, K. Nemoto, M. Kasu, N. Mizuochi, K. Semba, Nature, 478, 221(2011).
【5】N. Mizuochi, T. Makino, H. Kato, D. Takeuchi, M. Ogura, H. Okushi, M. Nothaft, P.
Neumann, A. Gali, F. Jelezko, J. Wrachtrup, S. Yamasaki, submitted.
【6】G. Balasubramanian, P. Neumann, D. Twitchen, M. Markham, R. Kolesov, N. Mizuochi,J. Isoya, J. Achard, J. Beck, J. Tissler, V. Jacques, F. Jelezko, J. Wrachtrup, 8, 383(2009).
【7】水落憲和「ダイヤモンド中の単一NV中心を用いた量子情報処理」
日本物理学会誌、vol. 64, no.
12, 910-918, 2009.
【8】水落憲和「ダイヤモンド中のNV中心の単一スピンコヒーレンス制御」固体物理、
2010年1月号、vol.
45、
p. 27-36