量子電子物性研究部
*NTTリサーチプロフェッサー・電気通信大学レーザ新世代研究センタ
中性原子は、量子ゲートを実現するリソースの有力候補である。すなわち、１）光で任意の状態が作れるため、１量子ビット演算が簡便かつ正確に出来ること、２）原子間相互作用や補助的量子システムを使って、２量子ビット間の演算が出来ること、３）環境からの影響が小さく、デコヒーレンス時間が長いこと、４）原子は互いに全く同等で、バラツキ等は原理的に存在せず、量子ビット数を自然に拡張出来ること、５）ボーズ凝縮を用いることで、欠陥の少ない量子ビット配列が作れること。しかしながら、演算に必要な機能の実現が難しく、中性原子を量子情報へと応用する試みは遅々として進んでいない。
近年の原子冷却技術の発展により、原子をμＫ以下にまで冷却し、１粒１粒の原子を２乃至３次元的に整列させることが出来るようになってきた。我々は、これまでに蓄積したボーズ凝縮に至る高効率原子冷却技術[1]と微細加工技術とを用い、冷却中性原子を用いた量子情報処理システムの実現を目指した研究を行っている。
第１の試みは、２次元磁場トラップ列による方法で、Ｚ型の電流を微細加工技術でシリコンチップ表面にミニチュア化したものを用いる。１粒１粒の原子を、振動の基底状態に捕捉して原子間相互作用を用いた演算を行うには、原子をチップ表面に近づけることが必須であるが、これはポテンシャルの乱れをもたらし、デコヒーレンス時間短縮の原因となる。我々は超伝導を用いてこれを克服する可能性を探っている。
第２の試みは、３次元的な光定在波で原子を捕捉する光格子を用いる方法で、２種類の原子を、それぞれの光格子に並べ独立に動かして量子計算を行う方法（２重光格子量子計算機）を提案[2]し、その実現に取り組んでいる。この２重光格子量子計算機は、完全な数的拡張性を備えているため、1000量子ビットを越える実用的な量子計算機になることが期待されている。
[1] T. Mukai and M. Yamashita, Physical Review A 70 (2004)
013615.
[2] F. Shimizu, Japanese Journal of Applied Physics 43 (2004)
8376.
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| 図１ アトムチップサンプル |
図２ チップ配線例 |
図３ ２重光格子量子計算機 |