? 磁石を回すと磁石がふたつ ?
—手作りの量子系、高精度量子演算に道—

　本研究では、原子核が持つ最小の磁石「スピン」を磁場中で回転させると、1つのスピンにもかかわらず、スピンが2つあるかのような新しい現象が現れることを核磁気共鳴法を用いた独自に開発した装置により発見しました。

　磁石の最小単位は電子や原子核が持つスピンです。このスピンの中でも最も小さなスピンがスピン1/2です。スピンには上を向くか（up）、下を向くか(down)の２つの自由度しかありません。磁場中ではupスピンとdownスピンがとるエネルギーは磁気的に分裂します。分裂したupスピンとdownスピン間ではエネルギーの吸収と放出の現象が起きます。この現象を共鳴（核磁気共鳴）と呼び、共鳴信号は1本となります。これまではスピン1/2の磁気共鳴の信号は1本であり、他の共鳴線はないと言うのが常識でした。

　ところが、我々が独自に手作りで開発した、回転する試料と同じ速さで回転させることが可能な測定器を用いて、磁場中において、スピン1/2を持つフッ素の原子核の核磁気共鳴を測定したところ、1本しか見えないはずの信号が3本に分裂しました。この3本の信号は、4つに分裂したエネルギー状態のそれぞれの間のエネルギーの吸収に対応しており、これを説明するためにはスピン1/2が2つ必要です。つまり試料の回転によってスピン1/2の自由度が2つ生じたと考えられる訳です。このスピン多重化は磁場中で試料を回転したことによる時間の周期性に由来しています。時間周期性を扱う理論である特殊な理論（フロケ理論）を用いて、本実験におけるスピンの状態を解析したところ、本来のフッ素の核スピン1/2の自由度に加えて、回転運動に由来するスピン1/2の自由度が新たに生じることを理論的に示す事ができました。さらに、この2つのスピン1/2が、量子情報における最小の情報単位である1量子ビットの2つ分となる2量子ビットと同等であることも理論的に示しました。このような、1つの核スピンとその回転によって発現した新たなスピンを組み合わせた 2 量子ビットの演算では、通常の方法では必要である 2 つの異なる物理系の結合を必要としないことから、実装する際のエラーを劇的に軽減できることが期待されます。これにより、精度の高い量子演算が可能になります。

　本研究は国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（以下、原子力機構）　先端基礎研究センター スピン-エネルギー科学研究グループの中堂博之研究主幹を主体とした研究グループ（東京大学：横井直人研究員、齊藤英治教授、電気通信大学：鈴木淳准教授、中国科学院大学：松尾衛准教授、188比分直播,足球比分网：佐藤正寛教授、量子科学技術研究開発機構：針井一哉主任研究員、原子力機構：今井正樹、理化学研究所：前川禎通教授）による研究です。

　本研究成果は、米国物理学会誌「Physical Review Letters（フィジカル?レビュー?レターズ）」に、4月1日（現地時間）にオンライン掲載されました。