不安定系との結合による量子ビットのコヒーレンス時間の改善

松崎雄一郎¹　Xiaobo Zhu^1,*　角柳孝輔¹　樋田啓¹　下岡孝明²
水落憲和²　根本香絵³　仙場浩一⁴　 William J. Munro⁵　山口浩司¹　齊藤志郎¹
¹量子電子物性研究部　²大阪大学　
³国立情報学研究所　⁴情報通信研究機構　⁵量子光物性研究部

　ダイヤモンドの単一の窒素空孔(NV)中心は、量子メモリや高感度センサなどの応用が期待されているが[1]、磁場ノイズによりコヒーレンス時間が短くなることが知られている。
　我々は、よりコヒーレンス時間の短い超伝導磁束量子ビットと結合させることで、NV中心のコヒーレンス時間を一桁近く改善できるという現象を理論的に見出した[2]。NV中心の励起状態は、磁束量子ビットと結合が可能なブライト状態と、そのような結合ができないダーク状態の2つがエネルギー的に縮退している。そのため、NV中心単独では、低周波の磁場ノイズにより励起状態間のランダムな遷移が起きてしまい、コヒーレンス時間が短くなる。しかし磁束量子ビットと結合すると、この2つの励起状態の縮退が解ける。その結果、エネルギーギャップのために、低周波の磁場ノイズによる励起状態間の遷移が抑制されて、ダーク状態のコヒーレンス時間が改善される。具体的には、100 µsのコヒーレンス時間を持つNV中心に、10 µsのコヒーレンス時間を持つ超伝導磁束量子ビットを、 10 kHz程度の強度で結合させることで、ダーク状態のコヒーレンス時間は950 µsとなる（図1）。この成果は、NV中心を用いた量子情報実現への全く新しいアプローチを与えるものである。