「量子コンピュータ」の開発が世界各国で活発に進められています。現行のコンピュータの1億倍もの計算速度を持ちうるともされ、それは例えば、現在のスーパーコンピュータで3年以上かかる計算を1秒で終えられることを意味します。そんな量子コンピュータの根幹を支える重要な要素となるのが「量子ビット」ですが、 #東大生研 の黒山 和幸 准教授は、量子ビットの新たな可能性を広げる研究において、注目すべき成果を出しています。その研究とは、異なる種類の量子ビットの間で情報を行き来させるというもの。それはいったいどのようなことなのか。この研究がもたらす未来とは。黒山准教授に聞きました。

10月14日（月）、15日（火）に、４回目となるエックス・マルセイユ大学（Aix-Marseille University; AMU）/CNRS（Centre National de la Recherche Scientifique）と本所/LIMMSとの交流ワークショップが、AMUファーロ（Pharo）キャンパスにて開催されました。

#東大生研 の黒山 和幸 助教、平川 一彦 教授らによる研究グループおよび、同大学 ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構の荒川 泰彦 特任教授、權 晋寛 特任准教授らによる研究グループは、半導体量子ドットと呼ばれる電子の個数が制御可能なナノ構造を導入することで、たった数個の電子とテラヘルツ電磁波とのハイブリッドな量子状態を生成・観測しました。テラヘルツ電磁波と電子の両方を半導体ナノ構造中に閉じ込めることにより、非常に強く相互作用させ、光と電子の両方の性質を併せ持ったハイブリッドな量子状態を実現しました。ハイブリッドな量子状態を用いることにより、電子が持つ量子情報を、テラヘルツ電磁波を介して遠方に運ぶことができるため、半導体量子ビット間の集積回路基板上での量子情報の伝送や、そのような技術をさらに発展させて、大規模固体量子コンピュータへの応用が期待されます。

#東大生研 の黒山 和幸 助教、平川 一彦 教授、および東京大学 ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構の荒川 泰彦 特任教授、權 晋寛 特任准教授は、テラヘルツ電磁波と電子を半導体ナノ構造中に閉じ込めることにより、非常に強く相互作用させ、光と粒子の両方の性質を併せ持ったハイブリッドな量子状態を実現しました。量子ポイントコンタクトと呼ばれるナノ構造を導入することによって、単一の光共振器中のハイブリッドな量子状態を電気信号として高感度に取り出す技術を確立しました。ハイブリッド量子状態を用いることにより、電子が持つ量子情報を、テラヘルツ電磁波を介して遠方に運ぶことができ、量子情報処理技術への応用に向けた重要な要素技術となると期待されます。

理化学研究所創発物性科学研究センター量子電子デバイス研究チームの黒山和幸特別研究員（研究当時、現東京大学生産技術研究所助教）、量子機能システム研究グループの松尾貞茂基礎科学特別研究員、樽茶清悟グループディレクターらの国際共同研究グループは、非平衡フォノン環境下に置かれた半導体二重量子ドット中の電子スピンのダイナミクスを実時間で観測することに成功し、フォノン励起により駆動されるスピン反転現象の統計を初めて明らかにしました。本研究成果は、固体物質中の熱電変換の微視的メカニズムの解明や、半導体などのナノ構造で実現されるミクロな熱機関の重要な知見となる可能性があり、将来的には、熱電変換素子の高効率化やスピンにより制御された熱機関デバイスの開発などに貢献すると期待できます。