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量子情報科学：シリコン中の核スピンキュービットの高忠実度読み出しと制御
Nature 496, 7445 doi: 10.1038/nature12011
核スピン歳差の検出は、分析化学、材料科学、医学、そして生物学を含むさまざまな分野に応用されている広範囲の科学的手法にとって重要である。基本的には、核スピンは周囲の環境から極度に分離されるため、その歳差の検出が可能となる。ダイヤモンド中の窒素空孔中心に関する先駆的な研究で示されたように、この分離によって単一核スピンは量子情報処理にとっても望ましいものとなる。シリコン中の31Pドナーの核スピンは、量子ビットとしてきわめて有望である。すなわち、バルクの測定結果は、この核スピンが優れたコヒーレンス時間を持つことを示しており、シリコンはマイクロエレクトロニクス産業の主要な材料である。本論文では、フォールトトレラントな量子計算を行うため、十分高い忠実度で単一31P核スピンキュービットを電気的に検出し、コヒーレントな操作を行った結果を示す。電子スピンのシングルショット読み出しをオンチップの電子スピン共鳴と統合することにより、99.8％以上の読み出し忠実度で、この核スピンの量子非破壊的な電気シングルショット読み出しが行えることを実証した。この値は、これまでに報告されたどの固体キュービットの結果より高い値である。次に、コヒーレントRFパルスを印加して、この単一核スピンをキュービットとして動作させた。イオン化した31Pドナーでは、核スピンコヒーレンス時間が60ミリ秒であり、 1キュービットのゲート制御忠実度が98％を超えることがわかった。これらの結果から、完全に電気的な測定と、核スピンに基づいた量子情報処理のための制御プラットフォームの実現に向けて、現代エレクトロニクスの主要な技術を適用できることが示された。
