成果概要
ナノファイバー共振器QEDによる大規模量子ハードウェア[6] 大規模イッテルビウム原子系技術
2024年度までの進捗状況
1. 概要
研究開発項目の概要
独自のナノファイバー共振器QED技術に基づき、大規模化と分散化が可能な新方式の量子コンピューターハードウエアを開発し、大規模な量子ビット数を持つ分散型の誤り耐性量子コンピュータの実現を目指す本プロジェクトにおいて、2電子系原子であるイッテルビウム（Yb）を用いて、その特徴を最大限に生かしたナノファイバー共振器QED方式ハードウェア開発と適合するYb原子量子ビットの大規模化についての技術開発を行っています。
現在すでに、その基本動作の開発に成功しているYb原子アレー技術をもとに、青木PM独自のナノファイバー共振器QED技術に基づいた大規模化・分散化が可能な新方式の量子コンピューターハードウエアによる誤り耐性量子コンピュータの開発に貢献することが目標です。
研究開発項目を構成する研究開発課題の概観
ナノファイバー共振器QED方式量子コンピュータ開発においては、ナノファイバーに隣接して冷却Yb原子の大規模光ピンセットアレーを実装することが必要です。特に、量子ビットの特性として、量子情報を長時間保持することが可能であるとともに、ナノファイバー共振器と直接結合する光学遷移を併せ持つことが理想的です。さらに、通常の光ピンセットアレーの系と異なり、空間的な配置があらかじめ決められているナノファイバーと光ピンセットアレーの原子を効率よく結合させる必要があり、それには大規模な2次元的な配列だけでなく、深さ方向での空間制御性も兼ね備えた3次元積層配列を実装したうえで、層選択検出・操作を実現することが望ましいです。そこで、研究実施期間の2025年度までに、「Yb原子3次元積層配列の実装とその層選択核スピン量子ビット操作」の実現を目標としていますが、そのために2024年度は、「Yb同位体原子アレー」の実現を目標としました。
2. これまでの主な成果
まず、原子アレーの高性能化として、核スピン1/2を有する171Yb原子と、磁場変動にロバストな1S0 (m=0)-3P2 (m=0)光学遷移を備えた174Yb原子からなるYb同位体原子アレーの可能性に取り組み、これまでの研究により、下図のように、Yb原子ハイブリッド原子アレーの系の生成に成功しました。確率的に２つの同位体をランダムに光ピンセットアレーに導入したのち、開発した同位体ごとの再配列アルゴリズムを適用することにより、決定論的に欠陥のないハイブリッド原子アレーの生成に世界で初めて成功しました。
特に、実現したYb原子ハイブリッド原子アレーの系において、そのクロストークの可能性を検証し、実際に無視できるほど小さいことを確認することに成功しました。
この結果は、国際的に著名な学術雑誌に論文[Y. Nakamura et al, PRX14, 041062 (2024)]として出版し、複数メデイアで紹介されるなど大きな注目を集めました。これは表面符号による量子誤り訂正に理想的な系であり、プロジェクトの長期的なマイルストーンに向けた重要な成果といえます。
また、大規模な２次元的な配列だけでなく、深さ方向での空間制御性も兼ね備えた３次元積層配列を実装したうえで、層選択検出・操作を実現することを前倒して推進し、右図にあるとおり、３次元配列の実装に成功しました。さらに、磁場に敏感な3P2状態を利用して、磁場勾配を印加することで、３次元の層を選択した観測に成功しました。現在は、ホログラフィックピンセットおよびイメージング系の性能向上により、本手法のさらなる性能向上に努めています。
3. 今後の展開
本研究で実現した、デユアルYb同位体原子のチェッカーボード型無欠陥２次元配列の系は、表面符号による量子誤り訂正を実装する上で大きな利点があることは予見しなかった成果です。今後、２量子ビットゲートの実装を含めてこの系の可能性を追求していきます。