在金剛石中首次實現容錯量子運算處理，為室溫量子計算機開闢道路

在日本科學技術振興機構（JST）的戰略性創造研究推進事業中，橫濱國立大學利用金剛石中氮空位中心（NV中心）的電子和核子的自旋作為量子比特，在室溫完全無磁場的條件下，全球首次成功實現了萬能的量子門操作，可以耐受操作誤差和環境雜訊，能自由進行多量子操作。通過利用幾何學性質，無需實施以前必不可少的糾錯，能進行任意精度的量子操作。這種獨特的量子比特完整量子門操作被命名為幾何學量子比特，可以容錯，能以更高的速度進行高精度運算。

如何克服量子比特的脆弱性一直是實現量子計算機和量子加密通信的課題，從操作的準確性和信息保留時間的角度來看，金剛石中的NV中心存在的自旋量子比特被認為有望解決這個課題。本研究開發了一種獨特的量子門操作技術，與以往的量子比特不同，採用沒有能量差的兩種自旋狀態作為量子比特。

此次的研究成果有望為各種量子信息器件的實現開闢道路，比如在室溫下工作的萬能量子計算機和量子模擬器、在量子加密通信中使之聯網所需的量子繼電器、量子感測、量子測量及IoT安全設備等。

在這項研究中，研發小組完全排除了磁場，採用沒有能量差的向上和向下自旋作為量子比特。由於沒有能量差，操作變得困難，但可獲得對操作誤差和環境雜訊的耐受性。研發小組提出的方案是，通過2條正交導線向NV中心無能量差的自旋量子比特施加 「偏振微波」，進行幾何學量子操作，由此成功完成了量子門操作實驗。這種自旋量子比特操作方法被命名為 「幾何學量子比特」，能解決此前存在的操作誤差的課題，可以無限提高操作精度（圖1）。

圖1：利用金剛石中的氮空位中心（NV中心）和偏振微波控制幾何學量子比特的概略圖

相關研究成果於2018年8月13日（英國時間）發布在《自然通訊》（Nature Communications）的在線版上。

文 JST客觀日本編輯部

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