半導体量子メモリーで世界最長のコヒーレンス時間を達成

量子暗号通信は、量子コンピューターをはじめ、高性能なコンピューターが将来開発されたとしても、絶対に盗聴を許さないとされます。しかし、現状では、最大でも200km程度の伝送距離しかカバーできません。より長距離で、さらに地球規模の1,000km～10,000kmの量子暗号通信網を実現するためには、量子中継という技術を用いることが不可欠です。

そのような量子中継システムを構築するためには、長いコヒーレンス時間を持って、量子情報を保存できる量子メモリーの開発が不可欠ですが、既に、NII研究グループは、量子メモリーとして十分な性能を有する半導体原子核スピン（²⁹Si同位体）を開発しています（室温でも1秒から30秒という極めて長いコヒーレンス時間を持ちます）。半導体原子核スピンは、光と直接結合せず、光ファイバー通信網に接続しないため、量子メモリーと光信号間の量子情報の転写は、²⁹Si同位体にトラップされた電子を介して行いますが、そのためには、電子スピン自体のコヒーレンス時間が少なくとも1マイクロ秒よりも十分に長いことが要求されます。しかしながら、従来の電子スピンのコヒーレンス時間は、この期待値よりも3桁余りも短い1ナノ秒のオーダーでした。

1ナノ秒という極めて短い電子スピンのコヒーレンス時間は、半導体を組成するGaAs結晶のGaとAsの原子核スピンが時間的にゆらぎ、そのために発生する結晶内の磁場ゆらぎにその原因があることが最近の理論研究の結果、分かってきました。このような磁場ゆらぎによる電子スピンの高速デコヒーレンスを克服する手段として、NII研究グループは、今回光パルススピンエコーという新しい手法を開発し、電子スピンのコヒーレンス時間を7000倍も延ばし、7マイクロ秒という世界最長のコヒーレンス時間を達成することに成功しました。

また、光パルスを用いた電子スピンの任意の1量子ビット操作は、10ピコ秒の時間で完了することがすでにNII研究グループにより実証されているので[Nature Physics 4,780.(2008)]、今回の成果を合わせると、電子スピンのコヒーレンス時間内に約7×10⁵回もの量子ビット演算を施すことが可能です。これにより、量子中継システムで、量子メモリーとして十分なコヒーレンス時間とゲート操作時間を持つことが実証され、量子中継技術を実現する上での最大の障害（光通信網とインターフェースの取れる長寿命の量子メモリーの開発）が克服されたことになります。

今後は、離れた2つの電子スピン量子メモリーから単一光子を同時発生し、量子メモリー間にエンタングル状態を形成する量子中継のシステム実験へ繋げていく予定です。

量子中継システムを構築するためには、長いコヒーレンス時間を持って量子情報を保存できる量子メモリーの開発が不可欠です。シリコン結晶中に4.7%の割合で含まれる²⁹Siアイソトープは、最も単純な核スピン1/2を持ち、室温でも1秒から30秒という極めて長いコヒーレンス時間を持つことをNII研究グループは、最近確認しました。この値は、超長距離の量子中継システムに不可欠な量子メモリーとして十分な性能であると言えます。しかし²⁹Si原子核スピン自体は、光と直接結合しないため、光ファイバー通信網とのインターフェースをどう実現するかが大きな課題でした。

²⁹Siアイソトープは、GaAs結晶中でGa原子を置換してドナー不純物となりますが、低温では電子1つをトラップして、中性ドナー不純物となります。この²⁹Si原子にトラップされた不対電子のスピンは、²⁹Si原子核スピンとハイパーファイン相互作用を介して結合することが知られています。その結合の強さは、約1MHzのオーダーです。この事実は、²⁹Si原子核スピンの情報を電子スピンへ約1マイクロ秒のオーダーで転写できることを示しています。ただ、このような量子情報の転写を行うためには、電子スピン自体のコヒーレンス時間が1マイクロ秒よりも十分に長いことが要求されます。しかしながら、NII研究グループが様々な方法で測定した²⁹Siドナー不純物に、トラップされた電子スピンのコヒーレンス時間は、この期待値よりも3桁余りも短い1ナノ秒のオーダーでした。

図1には、今回の実験で開発した半導体量子メモリーと光パルス実験系が示されています。不対電子一つをトラップした中性²⁹Siドナー不純物は、共鳴光を照射すると新たにエキシトンと呼ばれる電子—ホール対をトラップします。この束縛エキシトン状態は、有限の寿命で光子を放出して崩壊し、再び中性²⁹Siドナー状態へ戻ります（図1（a））。実験では、まずSiをドープしたGaAs結晶を10テスラの直流磁場中に置いて、ゼーマン効果により束縛電子スピンのエネルギー状態をエネルギー差50GHzの基底状態と励起状態に分裂させました。さらに、電子スピンの基底状態からおよそ300THzだけ高エネルギー側に、束縛エキシトン状態が存在します。このような系に対して、初めに電子スピンの励起状態と束縛エキシトン状態に共鳴した光パルスを照射し、電子スピンを基底状態に初期化しました（図2（a））。次に、電子スピンの基底状態と束縛エキシトン状態の周波数差よりも1THzほど低い中心周波数の2ピコ秒程度の時間幅を持つ光パルスを照射して、電子スピンを基底状態と励起状態の線形重ね合わせ状態に準備します（図1（b））。時間τの間、電子スピンを自由に回転させておいた後、第2の光パルスを照射し、電子スピンの向きを測定したところ、図2（b）に示すようなラムゼー干渉稿が観測されました。振動の周期はゼーマン周波数50GHzの逆数の20ピコ秒です。このラムゼー干渉稿は、2つの光パルスの間隔が約1ナノ秒を超えると消滅します。この時間が電子スピンのコヒーレンス時間に相当します。

新しい光パルススピンエコーの実験では、2つの光パルスの間（ちょうど中間点）に第3の光パルスを挿入します（図3（a））。このようにすると、第1パルスと第2パルスの間（τ₁）にスピンへ作用した磁場ゆらぎと第2パルスと第3パルスの間（τ₂）にスピンへ作用した磁場ゆらぎが互いに相殺してデコヒーレンスの要因を取り除くことができます。このようにした場合のラムゼー干渉稿は、図3（b）に示すように数マイクロ秒のオーダーまで存在することが確かめられました。ラムゼー干渉稿の減衰カーブから、コヒーレンス時間は7マイクロ秒と見積られました。この値は、これまでに観測されたGaAs中の電子スピンでは、最長のコヒーレンス時間であり、また²⁹Si原子核スピンへの量子情報転写に必要な1マイクロ秒よりも十分に長い値です。更に、光パルスを用いた電子スピンの1ビット制御に必要な時間は約10ピコ秒であるので、そのコヒーレンス時間内に行える1ビット操作の回数は～7×10⁵となり、この値は固体素子量子ビットのこれまでの記録を1000倍以上も改善するものです。