研究終了にあたって
量子情報処理は、物理学と情報科学の境界領域に位置する学際的研究分野である。量子情報処理に使われるスピンキュービットの原理の発見に対して、ZeemanとLorentzにノーベル物理学賞が与えられたのは１９０２年のことである。より直接的には、１９４５年に発見された核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance）、１９６０年に発明されたレーザー、１９７０年以降に本格化したレーザー分光と量子光学という４代に渡るノーベル物理学賞の対象領域の流れの先に"来るべきもの"として物理学者の関心と期待を集めてきた。情報科学と物理学の接点が見出されたのは、１９世紀末にJ.C.Maxwellが有名なマクスウェルの悪魔を誕生させた時に始まる。それから１００年、Gabor、Shannon、Turing、von Neumann等の先駆的な研究を経て、遂にDavid Deuｔschの量子コンピューター（１９８５）、Charles Bennettの量子暗号（１９８４）の発明へいたった。こうして、量子情報は基礎科学の１テーマから将来技術としての地位を確立した。それからの２５年間の理論と実験における発展は目覚ましく、因数分解アルゴリズムの発見、エンタングルメント物理の解明、量子誤り訂正コードと誤り耐性量子コンピューターの発見、一方向量子コンピューターの提案、量子鍵配送の絶対安全性の証明、超伝導キュービット、イオンキュービット、原子キュービット、半導体スピンキュービット、分子キュービット、光子キュービットなどに関する実験技術の進展、と枚挙に暇がない。
にもかかわらず、理論的なコンセプトと実験技術の間には大きなギャップがあり、この研究分野を単なる基礎研究としてではなく、実用技術として発展させるための最大のブレ−クスルー（NMRの発見やレーザーの発明に匹敵する）は未だになされておらず、今後出てくるものと期待される。そういう夜明け前の研究分野で自身が研究できること、学生を育てることが出来ることは研究者、教育者として最も幸せなことであると思われる。どこを掘れば金脈に当たるか全く分からないという現状と量子技術というこの息の長い研究分野で次世代を担う若手研究者を様々な研究分野で育てておきたいという背景から、幅広い分野から世界と勝負できる研究チームを採択するという方針で研究提案を公募した。領域全体としては、平成１５，１６，１７年に合計１２件を採択したが、平成１６年に採択された研究チームは、５年に亘り研究を精力的に展開し、以下に記す通り、めざましい成果を達成した。
１．冷却イオンを用いた量子情報処理基礎技術
占部伸二（大阪大）を研究代表者とする本研究テーマは、冷却イオンを用いた光周波数標準（光時計）の研究開発で世界をリードしている米国標準技術研究所（NIST）をはじめとする世界のトップグループに追いつくことを目指して行なわれた。冷却イオンを用いた光時計、量子情報処理技術は、多くの重要な基礎実験技術と基礎科学への貢献の可能性を内包しているため、その研究成果が広い分野に波及効果を及ぼすことに疑いはない。本チームは、大阪大学、京都大学、情報通信研究機構（NICT）、MITの４つのグループから構成され、それぞれ独自の手法により冷却イオンを用いた量子情報処理の基礎技術の確立を目指した。
大阪大学グループの主な研究成果を上げると、光周波数コムを用いた1.8THz離れた２台の量子制御用位相同期半導体レーザーの開発、このラマン光源を用いたCa+イオンのD5/2-D3/2間テラヘルツ遷移量子ビットのCirac-Zoller量子ゲートの実現、この量子ビットのラムゼー干渉実験とデコヒーレンス時間（5ms）の測定、量子ゲートのフィデリティーを劣化させる光シフトのキャンセル法の開発、などである。
京都大学グループは、Yb+とBa+イオンの長寿命時計遷移を利用した量子ゲートの開発を目指して、両イオンの光イオン化によるトラップ、レーザー冷却、マイクロ運動の除去、ラム・ディッケ領域への閉じ込め、という基本技術を確立した。また、Yb+、Ba+イオンの奇数同位体の選別捕獲と時計遷移の励起に成功した。
NICTグループは、In+イオンを冷媒イオンとする40Ca+イオンの共同冷却と共振器を用いた冷却イオンと光の相互作用制御について、基礎技術を開発した。
MITグループは、大規模な冷却イオン量子コンピューターの実現を目指したプレーナー型微細加工イオントラップを開発し、これを極低温で動作させることにより、イオンの加熱を３桁小さくすることに成功した。また、量子制御のためのレーザーパルスシステムの開発、磁場勾配を利用した個別イオンのアドレシング技術の開発に取り組んだ。更に、故障耐性のある（フォールトトレラント）量子コンピューターのための理論研究においても優れた成果を上げた。
これらの研究成果を通じて、冷却イオンを用いた量子情報処理の分野で世界のトップグループに近づく実力を養った。外部発表に関しては、原著論文34件、招待講演８件、と適切に行なわれたと評価できる。特許出願は０であったが、研究開発が極めて基礎的なレベルにあったため、学術論文発表に重点が置かれたのはやむを得なかったと思われる。
２．単一光子から単一電子スピンへの量子メディア変換
小坂英男（東北大）を研究代表者とする本研究テーマは、当初単一光子と単一電子スピン間の量子状態転写を実現し、これにより量子中継技術の中核要素を確立することを目指した。これには、新原理の実験的実証のみならず、新デバイス技術の開拓も必要となるため、５年間の研究目標としては達成が不可能と思われた。このような情況に鑑み、領域総括は、光子集団と電子スピン集団を用いるアンサンブル実験へ戦略を切り変えることを提案し、研究代表者もこれに同意した。
今回、アンサンブル実験ながら、光子の偏光重ね合わせ状態から、電子のスピン重ね合わせ状態への転写（書き込み）の原理が実験的に確認できたのは大きな前進である。この成果はPhysical Review Letters誌に掲載された。また、これとは逆に電子スピンの重ね合わせ状態を光子によりトモグラフィー測定（読み出し）する原理についても実験的な確認ができた。この成果はNature誌に掲載された。
一方、単一量子の制御を目指すデバイス技術開発においても着実な進展があった。InAs量子ドットによる単一光子の吸収と非破壊検出、二重量子ドットにおける電子スピンのg因子の制御と量子相関検出、単一電子スピンの電気的コヒーレント操作、などである。
更に、理論面では、２電子スピンのエンタングル状態の光を用いた測定法の提案、電子スピンと核スピンのハイパーファイン結合による特有のデコヒーレンス機構の解明、などユニークな成果が得られている。
外部発表は、国際的に高く評価されている論文誌を中心に４２件の論文を刊行し、国際会議での招待講演は１９件、報道発表も１３件と多い。特許出願はないが、研究が原理実証という基礎的なレベルにあることから相応と考えられる。本研究チームは、地域的にも離れた５つの研究機関が実験と理論の両面にまたがり有効な連携協力を実現し、優れた成果を上げた。特に、理論チームは実験に則した形で研究が進められ、結果として優れた新原理が提案されている。
３．分子の電子・振動・回転状態を用いた量子演算基盤技術の開発
百瀬孝昌（情報通信研究機構/ブリティッシュコロンビア大（カナダ））を研究代表者とする本プロジェクトは、固体パラ水素などの量子凝縮相に個別に捕捉された分子が、極低温の環境下で安定に空間捕捉され、環境との相互作用がほとんどなく、長いデコヒーレンス時間が期待できることに着目し、このような分子の電子・振動・回転状態を用いた量子情報処理技術の開発を目指したものである。本プロジェクトが開始される以前には、分子を用いた量子情報処理やエンタングルメント生成といった研究動向はほとんどなく、この独創的な研究を遂行し、その成果を４４件の欧文誌論文、６９件の国際会議招待講演として世界へ発信してきた結果、分子の内部自由状態を用いることの重要性が国際的にも広められた意義は大きい。
分子の量子ビットとしての性能評価や要素技術の開発（精密に位相制御された高輝度のコヒーレント光源の開発、アト秒精度で制御された極短パルス光源など）という研究開発の目標は達成されている。また、コヒーレント光パルスの量子最適制御アルゴリズムやデコヒーレンス機構の解明など理論面でも成果があった。
しかし、固体パラ水素に捕捉された分子では、１Ｋ以下に冷却してもデコヒーレンス時間が長くならない、といった想定外の展開も見られた。また、射影測定に課題が残されており、実際の量子ゲート動作の実証には至っていない。
研究代表者がプロジェクト開始当初に、京大から情報通信研究機構/プリティッシュコロンビア大への異動があったが、研究代表者のリーダーシップは十分に発揮され、研究チーム間の共同研究も活発に行なわれた。特に、分子のコヒーレンス制御、検出、量子アルゴリズムの実装、など広い視野から研究対象を評価しようとする適切な体制が取られていた。
