京都大学と科学技術振興機構(JST)、東京大学、東京工業大学、横浜国立大学、岡山大学、独ケルン大学の研究者らによる共同研究チームは2021年7月30日、環境ノイズに強い動作原理を持つトポロジカル量子コンピューターを実現するために有力な候補となる粒子の性質を解明したと発表した。成果は同年7月29日に米科学誌「Science(サイエンス)」にオンライン掲載された。

実験の概要(左)と量子計算に使える可能性がある粒子のトポロジー状態の概念
実験の概要(左)と量子計算に使える可能性がある粒子のトポロジー状態の概念
出所:京都大学、科学技術振興機構、東京大学、東京工業大学、横浜国立大学、岡山大学、独ケルン大学
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 トポロジカル量子コンピューターの原理は、連続的に変形させた形や構造を同じとみなす位相幾何学の状態「トポロジー」を物質や粒子で用いることで、熱かく乱など環境ノイズに強い量子計算ができるというもの。現在はこの動作原理を実現する物質や粒子の候補を探すなど、基礎研究の段階にある。京大などの研究チームは、その有力候補となる粒子として「非可換エニオン粒子」と呼ぶ粒子の性質を実験に基づく研究で解明した。具体的には非可換エニオン粒子や、同粒子を構成すると考えられ存在が予言されている「マヨラナ粒子」が、実際にトポロジーの性質を持つことを実験で実証したという。

 実験に用いた物質は磁性絶縁体「α-RuCl3」と呼ぶ。絶対零度まで粒子のスピンの向きがそろわず動き回る量子スピン液体の1種で、蜂の巣状の格子構造を持つ「キタエフ量子スピン液体」状態を示す候補物質として選定した。この物質に磁場を蜂の巣の格子面に対して平行にかけたり60度など傾けてかけたりしたときの「半整数熱量子ホール効果」がどう現れるかなどを調べた。

 実験では格子面に対し平行に磁場をかけた場合だけに半整数熱量子ホール効果が観測されるなど、実験結果が理論予想とほぼ一致した。マヨラナ粒子や非可換エニオン粒子のもつトポロジーがはじめて実験的に示されたという。研究チームは今後の研究テーマとして、トポロジカル量子計算が現実に可能かどうかの実証に向けて、これらの粒子を直接検出し操作する方法の開発を目指すとしている。